Měření transepidermální ztráty vody (TEWL)

Súhrn

Měření transepidermální ztráty vody (TEWL) je velmi používaná metoda ke zkoumání bariérové funkce kůže za fyziologických i patologických stavů, k objektivizaci a zpřesnění klinické diagnózy, k vyhodnocování iritačních testů, ke sledování účinků léků a kosmetik. V současnosti se používají tři druhy měřících přístupů: uzavřené, ventilované a otevřené komůrky. Přiblíženy jsou současně komerčně dostupné přístroje. Jsou rozebrány klady, zápory a nutná standardizace metody a nejčastější zdroje chyb s širokým využitím metody. Přiložen je příklad měření TEWL, které bylo využito kromě dalších bioinženýrských metod při řešení probíhajícího grantového úkolu.

Klíčová slova:
transepidermální ztráta (výdej) vody – TEWL – neinvazivní vyšetřování kůže – standardizace měření – bioinženýrské metody a využití – měření fyziologických funkcí – měření v kosmetice – měření TEWL u patologických stavů

Úvod

Měření transepidermální ztráty vody (TEWL – Transepidermal Water Loss) je široce používaná metoda ke zkoumání bariérové funkce kůže za fyziologických i patologických stavů. Je např. určena k objektivizaci klinické diagnózy, k vyhodnocování iritačních testů s širokým použitím v pracovním lékařství, ke sledování efektů kosmetik a léků, v lékařském poradenství, pozorování nově narozených, v potravinářském průmyslu a v mnoha dalších oblastech. Výhody použití této techniky představují nezávislost na subjektivitě zkoušejícího, zisku numerických výsledků i  nepředpokládaných dat, lepší standardizaci experimentů, možnosti srovnání mezi laboratořemi, přičemž není potřeba specializovaného personálu (3, 14).

Voda opouští živou kůži směrem do vnějšího prostředí dvěma způsoby: aktivním transportem pocením a pasivní difúzí přes rohovou vrstvu. Pocení, tj. perspiratio sensibilis, je jeden z mechanismů kontroly tělesné teploty. Může být vyvoláno i psychickým stresem. Pocení dosahuje hodnot až 2–4 l/h. Perspiratio insensibilis (TEWL), tj. neznatelné pocení, není viditelné pouhým okem. Neexistuje-li žádná turbulence vzduchu, je kůže krytá přechodovou vrstvou, kde se vlhkost přenáší z povrchu kůže do okolní atmosféry a je tak vybudován ochranný kryt směrem k zevnímu prostředí. Množství vody, které prochází stratum corneum, je za normálních podmínek 300–400 ml za den. Představuje to asi 1/10–1/20 z celkového pocení. Je proto třeba uzpůsobit podmínky měření tak, aby nedocházelo ke zkreslení naměřených hodnot TEWL pocením (12, 44).

Teoretické principy

TEWL je pasivní difúze kožní bariérou, což je fenomén poplatný gradientu tlaku vodní páry na obou stranách vrstvy. Koncentrace vody v pokožce, která je dobře hydratovaná, je odhadována na 48–49 mol. Tato hodnota se předpokládá v hlubší části rohové vrstvy. Koncentrace vody na kožním povrchu, který je v kontaktu s okolním prostředím, je nižší a byla prokázána kolem 12 molů (při okolních podmínkách, 40% relativní vlhkosti a 31 °C). Gradient tlaku se tak rovná 37 mol/l. Jestliže relativní vlhkost okolního ovzduší je 100 %, TEWL bude snížená téměř na nulu, a obráceně, je-li relativní vlhkost rovna 0 %, TEWL bude maximální (12, 20, 51).

Pasivní difúze vody přes rohovou vrstvu je definována a řídí se Fickovým prvním zákonem (43). Při rovnováze je tok vody J (mol . cm ^-1. s^-1) na určitou vzdálenost δ (cm) proporcionální ke koncentračnímu gradientu ΔC a difúznímu koeficientu D (cm²/s). Nicméně, rohová vrstva není netečná membrána, ale vykazuje určitou afinitu k vodě a Fickův zákon se musí modifikovat uvedením koeficientu K_m (27, 51):

Modifikovaný Fickův zákon:

J = -K_m x D (ΔΔC / ΔδΔδ)

K_m se rovná 0.06 . Rovnovážný záporný symbol ukazuje, že tok je řízený směrem k nižším koncentracím (12, 27).

Metody i měřící zařízení (některá i historická) shrnují Wilson a Maibach a popisují jejich výhody a stinné stránky (12, 51). Jsou to: měření osmolarity, tělesné váhy, metoda uzavřeného a otevřeného válce, ventilovaná komůrka, elektrohygrometrie, měření termální konduktivity, dvoubodový hygrometr, elektrolytický analyzátor páry.

Výsledky získané použitím dřívějších zmíněných rozdílných metod jsou sotva porovnatelné. Poslední publikace však ukazují, že některé naměřené hodnoty mohou být přesto směrodatné (12, 25, 26, 51). V nové době se tedy i komerčně používá několik přístupů a lze tak in vivo neinvazivně TEWL měřit třemi různými technikami (6):

1. Uzavřenou komůrkovou metodou,

která spočívá v aplikaci pouzdra (komůrky) na kůži. Zde se sbírá ztracená pára z kožního povrchu. Relativní vlhkost uvnitř pouzdra se zapíše elektronickým hygrosenzorem. Změny koncentrace ztráty páry jsou zpočátku stálé a rychlé, posléze dojde k úměrnému zmenšení, protože se vlhkost blíží 100 %. Původní uzavřená komůrková metoda neumožňuje tak plynulý zápis TEWL, neboť vzduch uvnitř komůrky je brzy nasycen a  kožní vypařování ustane. Poslední pokrok elektroniky dovolil znovu použití metody zavřené komůrky. Jsou nyní komerčně dosažitelné tři variace této měřící techniky:

• a) měření progresivního vzrůstu relativní vlhkosti uvnitř komůrky. Jsou to modely v kufříkovém provedení H 4300 (Nikkiso-Ysi Company Ltd., Tokio, Japonsko) a Vapometer (Delfin Technologies Ltd., Kuopio, Finsko), které byly v poslední době dány na trh;
• b) měření proudění vodní páry z povrchu kůže zachycováním vody jako ledu na elektronicky chlazeném kondenzoru v komůrce. Přístroj používající jmenovanou techniku je Biox Aquafiux (Biox Systems Ltd., Londýn, UK);
• c) použití ventilované uzavřené komůrky, přičemž je porovnána a měřena vlhkost přitékajícího a unikajícího vzduchu. Měření a délka použití je limitována saturací atmosféry v uzavřené komůrce. Zařízení na tomto principu je AS-TW1 (Asahi Biomed, dosažitelný v Cardiff Biometrics, Cardiff, UK).

Pro H 4300 byla zjištěna lineární korelace s Dermalab (R²=0.917), ale získané hodnoty byly hodně nízké. Podobně byla dobrá korelace výsledků naměřených s Vapometer a s DermaLab (6, 12).

2. Ventilovaná komůrková metoda

je založena na průtoku plynu pouzdrem, které je přiloženo na kůži. Voda je odvedena plynem a změřena hygrometrem. Tato metoda umožňuje kontinuální měření TEWL, ale jestliže by byl protékající plyn příliš suchý, může docházet k arteficiálnímu vzrůstu odpařování.

Do této skupiny způsobů měření můžeme zařadit i významné práce našich autorů Rovenského, Hybáška, Záhejského, Najbrta, Šeráka a dalších. Dnes po 30 až 40 letech vidíme, jak progresivní byly v době vzniku tyto práce, neboť autoři byli vpravdě průkopníky v oblasti výzkumu hydratace pokožky a měření perspirace a v mnohém předčili zahraniční publikace. Rovenský v r. 1964 konstruoval vlastní odporový hygrometr s kontinuálním záznamem sudomotoriky (Čs. Patent č. 120125/1966) a prováděl s ním řadu experimentů (např. Dynamika senzibilní perspirace pod stříkanými obvazy) a Hybášek ve své kandidátské práci vypracoval metodu na principu proudění vysušeného nosného plynu nad povrchem kůže s měřením na termistorech. Metody byly využity nejen pro fyziologická měření a posuzování patologických stavů (atopie), ale i snášenlivosti textilií, materiálů obuvi apod. (16, 17, 18, 21, 22, 34–39). Je smutné, že podobné prototypy aparatur tradičně nedoznají u nás komerční realizaci.

3. Otevřená komůrková metoda

využívá přiloženého pouzdra otevřeného do okolního ovzduší. Sonda se umístí na povrch kůže, přičemž sonda vymezuje plošku kůže 0,8 – 1 cm² (podle přístroje) a představuje dno komůrky. Transepidermální ztráta vody se vypočítá ze spádu, který je zaznamenán dvěma hygrosenzory přesně nad sebou umístěnými v pouzdře, tedy ve dvou různých rovinách. Vzdálenost od čidla na kožní povrch je zvolena pro optimální vyhodnocení tlakového gradientu vodní páry v komůrce mezi kůží a okolním ovzduším (6, 12, 20). Vodní tlak na každé úrovni se stanoví z následující rovnice:

p= RH x p_sat

p_sat je tlak saturace vody. Relativní vlhkost RH (%) je měřena polovodiči. p_sat je vypočítána přístrojem a určena teplotou vzduchu na každé úrovni snímače. Diference tlaku páry mezi dvěma měřenými úrovněmi pak určí spád gradientu tlaku. TEWL se vyjadřuje přímo v g . m ^-2. h ^-1.

Pohyb okolního vzduchu a jeho vlhkost jsou největší stinné stránky této metody. Malá velikost sondy turbulenci vzduchu však značně omezuje. Poslední způsob měření je běžně komerčně dostupný.

Hodnota TEWL tak představuje většinou množství vodní páry, která se odpařila z kůže. Nicméně takové měření reflektuje bariérovou funkci stratum corneum jen při nepřítomnosti činnosti potních žláz. Zde se uplatňují obvyklé fyzikální zákony pro pasivní difúzi (43). Difúze vodní páry přes stratum corneum je přímo závislá na okolní relativní vlhkosti, integritě bariéry rohové vrstvy, teplotě a tloušťce stratum corneum, což určuje i permeabilitu rohové vrstvy (27, 43). Metoda umožňuje i kontinuální měření bez vlivu na kožní povrch. Pro zvláštní aplikace mohou být hodnoty měření také zaznamenávány dlouhodobě (dny). V některých specifických případech je možné komůrku uzavřít a dosáhnout výsledků i v několika sekundách. Získáme tak kromě TEWL ještě hodnotu SSWL (Skin Surface Water Loss after occlusion – tj. výdej kožním povrchem po okluzi) a parciální tlak (pd) vody. O stavu obsahu a výdeje vody v kůži se lze přesvědčit navíc ještě pomocí tzv. dynamických testů hydratace – SDT – tj. testu sorpce-desorpce (Sorption-Desorption Test – resp. SSWL), MAT – testu akumulace vlhkosti (Moisture Accumulation Test) a POST – testu plastického stresu po okluzi (Plastic Occlusion Stress Test) (4, 29). (Použití a teoretické základy jsou obsahem dalšího našeho sdělení.)

Některé přístroje mají i ohřívání čidel, jestliže se teplota kůže značně liší od skutečné teploty vzduchu. Senzor uvnitř sondy může být rychle předehřátý na teplotu kůže (6, 12).

Na principu metody otevřeného válce jsou dosažitelné: Evaporimeter, Tewameter a v poslední době hlavně DermaLab (5, 6, 8, 25, 45).

Evaporimeter – výrobce: Servo Med AB, PO Box 129, S-51121 Kinna, Švédsko, Servo Med Inc., 835-837 Sussex Blvd., Broomall, Sanko Tsusho Co., No 5 Mori Bldg., 1,-17-1 Toranomon,on, Minato-ku, Tokio, Japonsko,

Tewameter tm 210. – výrobce: Courage & Khazaka Elektronic GmbH, Mathias-Bruggen-Strasse 91, D-50829 Köln, Německo.

DermaLab – výrobce: DermaLab: Cortex Technology, Smedevaenget 10, DK-9560 Hasund, Denmark. (http://www.cor-tex.dk).

Jsou spojeny s PC a mají software na vyhodnocení výsledků, včetně sledování okolní teploty, vlhkosti a automatické kalibrace dat. Hodnoty se zapisují na LCD displej a zobrazuje se většinou TEWL hodnota, průměrná hodnota, směrodatná odchylka a křivka TEWL / čas, parciální tlak, teplota a vlhkost.

Barel a Clarys v r. 1995 (2) porovnali výsledky Evaporimetru a Tewametru a Grove et al. (13) provedli podobné srovnání Dermalab a Evaporimeteru. Určité nevelké diference existují.

Zdroje chyb pří měření , standardizace a praktické rady

Protože je TEWL závislá na gradientu tlaku vodní páry na kožním povrchu, každý vnitřní nebo vnější činitel má vliv na tloušťku přechodové vrstvy na povrchu kůže do okolního ovzduší a spád gradientu v této vrstvě může modifikovat TEWL. Zařízení je tak citlivé, že detekuje jakékoliv změny mikroklimatu. Jsou-li podmínky standardizovány, jsou naměřené hodnoty automaticky upraveny (24, 26, 28, 31).

Zdroje chyb mohou spočívat v přístrojové technice, ve faktorech týkajících se okolníhoprostředí a individuálních faktorech a jsou rozsáhle probrány v literatuře (2, 13, 24, 25, 26) a vyhodnocen jejich vliv.

K přístrojovým faktorům ovlivňujícím správnost měření patří dodržení doby zahřátí přístroje (15 min) pro stabilizaci elektronických obvodů, přístroj se nemá vypínat mezi měřeními, nutnost kalibrace a nastavení nuly s pravidelnou regulací. Důležitá je i pravidelná kalibrace sondy podle výrobních instrukcí a dodržení způsobu a techniky měření. Dále je důležité používat ochrannou rozvodnou síť, důležitý je přítlak sondy na kůži. Nutné je vystříhat se změn vlhkosti a teploty v otevřené komůrce, sonda nesmí být ponechána na místě na kůži a je třeba se vyhnout kontaktu s potem. Během měření by sonda měla zůstat v horizontální poloze.

Mezi faktory týkající se okolního prostředí patří proudění a turbulence vzduchu během měření, teplota prostředí a vlhkost prostředí.

K individuálním faktorům počítáme pocení, teplotu kůže, anatomické místo měření.

Souhrnem lze říci, že měření mohou nejvíce ovlivnit variace způsobené faktory prostředí (okolí) a individuálními faktory.

Pro praktické měření jsou důležitá tato doporučení: měření má probíhat v klimatizované místnosti se stabilní teplotou a relativní vlhkostí a eliminací turbulence vzduchu, případně v ochranném boxu nebo alespoň při umístění např. paže do inkubátorového prostoru.

Příklad měření a záznamu metodou TEWL

Jako příklad uvádíme průměrné výsledky měření hodnot TEWL v různých lokalitách lidského těla (tab.1). Dalším příkladem je záznam přístroje Tewametr (obr. 1), který byl použit včetně dalších bioinženýrských metod, při řešení výzkumného úkolu. Podrobný rozbor a experimenty jsou součástí závěrečné zprávy grantu (30) a předpokládá se ještě další rozšíření a opakování všech pokusů. Měření byla provedena na volární straně předloktí za teploty cca 28 °C a relativní vlhkosti 44 % přístrojem DermaLab^® s nastavenou směrodatnou odchylkou 0,2 g/hm². Před každým měřením je nutná kalibrace zařízení, kdy se automaticky upraví hodnoty ve vztahu k teplotě a relativní vlhkosti okolí.

Souhrn a závěr využití metody TEWL

Z experimentální dermatologie můžeme jmenovat využití při hodnocení rozdílů TEWL mezi penetrací některých chemických látek kůží: benzoová a acetylsalicylová kyselina, kofein, hexylnikotinát. Sledování iritačních vlastností detergentů nebo surfaktantů, kyseliny retinové, glykolové, novorozeneckých fekálních enzymů, derivátů vitaminu D. Pro lauryl-sulfát sodný byl vytvořen i standard „Standardizační skupinou při European Society of Contact Dermatitis“ jako iritans pro experimenty. Sledovány byly efekty UV záření a vliv topických produktů na hydrataci a při použití okluzivních obvazů. Je možné provádět i srovnávání u lidí a zvířat (1, 3, 10, 11, 15, 19, 23, 46, 47, 48, 52).

Pro  klinické použití se zkoumaly zánětlivé dermatózy, atopická dermatitida a její bariérové vlastnosti, absorpce hydrokortisonu před léčbou a po léčbě, psoriáza a ichtyóza, hojení ran a regenerace kůže u popálenin a rozdíly alergických a iritačních reakcí při epikutánním testování (7, 9, 32, 33, 40).

Metoda měření TEWL by měla být již běžně k dispozici alespoň na našich pracovištích dermatologické alergologie a pracovního lékařství (42, 48).

Práce vznikla za podporygrantu FT-TA / 007 MOP.

Došlo do redakce: 1. 1. 2008

Prof. MUDr. Vladimír Resl, CSc.

Dermatovenerologická klinika FN a  LF UK

Dr. E. Beneše 13

306 99 Plzeň

E-mail: reslv@fnplzen.cz