Quantitative Analyse der durch UV-Strahlung verursachten Hautschäden

Verschiedene Bänder der ultravioletten Strahlung

Ultraviolette Strahlen werden in UVA, UVB und UVC unterteilt, je nachdem, wie sie auf Lebewesen wirken.
UVA: UV-Strahlen mit Wellenlängen von 320 nm bis 400 nm.
UVB: UV-Strahlen mit Wellenlängen von 290 nm bis 320 nm.
UVC: UV-Strahlen mit Wellenlängen von 100 nm bis 290 nm.
Von den Sonnenstrahlen, die die Erdoberfläche erreichen, entfallen 5 bis 6% auf ultraviolette Strahlen, von denen etwa 90% UVA und der Rest hauptsächlich UVB sind. UVC wird größtenteils von der Ozonschicht absorbiert und erreicht nicht die Oberfläche der Erde. Daher werden in Bezug auf die Schädigung der Epidermis nur UVA und UVB betrachtet.

UV-Wellenlänge und Photonenenergie

UV-Strahlung ist sowohl eine elektromagnetische Welle als auch Licht. Licht besteht aus Elementarteilchen, die Photonen genannt werden, und die Energie, die diese Teilchen tragen, wird Photonenenergie genannt. Die Photonenenergie ist direkt proportional zur elektromagnetischen Frequenz eines Photons und umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge. Die Photonenenergie E kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei h die Planck-Konstante (6,626×10^-34 Js), c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge des Photons ist:

E = h × c / λ

Aus dieser Gleichung lässt sich erkennen, dass die Photonenenergie E abnimmt, je länger die Wellenlänge λ ist. Umgekehrt steigt mit kürzer werdender Wellenlänge λ die Photonenenergie E. Die Kraft, die die molekularen Bindungen in einer Substanz zerstört, wird größer, wenn die Photonenenergie zunimmt. Je länger die Wellenlänge des Photons ist, desto höher ist die Rate des Lichts, das die Erdoberfläche erreicht.

Da UVB kürzere Wellenlängen hat, erreicht die meiste UVB-Strahlung nicht die Erdoberfläche und dringt daher nicht in die Haut bis zur Dermis ein, sondern schädigt stattdessen die Epidermis. Sie kann aufgrund ihrer hohen Photonenenergie in kurzer Zeit schwere Schäden verursachen.

UVA hingegen hat längere Wellenlängen und kann meist die Erdoberfläche erreichen, wodurch es auch in die Haut bis in die Dermis eindringen kann. Aufgrund seiner geringen Photonenenergie ist es unwahrscheinlich, dass UVA in kurzen Zeiträumen Schäden an der Haut verursacht, aber es kann die Dermis schädigen, wenn die Haut über längere Zeiträume exponiert wird.

Durch UVB verursachte Hautprobleme

Da UVB kürzere Wellenlängen hat und daher von der Ozonschicht absorbiert wird, ist die Menge an UVB, die die Erdoberfläche erreicht, begrenzt, was bedeutet, dass seine Eindringtiefe in die Haut gering ist. Durch die hohe Photonenenergie kann sie jedoch auch über kurze Zeiträume Sonnenbräune und Sonnenbrand verursachen.
Sonnenbrand ist eine Rötung der Haut, die als Reaktion auf UV-Strahlung auftritt. Er wird in der Regel durch UVB verursacht und wird auch als Erythemreaktion bezeichnet. Der Sonnenbrand tritt einige Stunden nachdem die Haut plötzlich starker UV-Strahlung ausgesetzt wurde auf. Die Blutgefäße in dem geröteten Bereich erweitern sich und führen zu einer Entzündung. Das Symptom erreicht seinen Höhepunkt nach 8 bis 12 Stunden. Dieser Zustand hält einige Tage an, bevor die Haut ihren normalen Zustand wiedererlangt.
Die Erweiterung der Blutgefäße fördert die Bildung von Zytokinen durch Keratinozyten, die UVB absorbiert haben, was zu einer Entzündungsreaktion führt. Bei diesem Prozess werden die benachbarten Pyrimidinbasen in einer DNA-Doppelhelix zu Pyrimidindimeren verbunden, die für die Zellen eine Läsion darstellen. Hautzellen können diese Läsionen mit einer Funktion namens Nukleotid-Exzisionsreparatur reparieren. Ein Sonnenbrand tritt jedoch auf, wenn die Menge der Läsionen diese Funktion übersteigt oder wenn die Reparatur nicht erfolgreich ist. Außerdem kann die Vermehrung solcher geschädigter Zellen zu bösartigem Hautkrebs wie Melanomen, Plattenepithelkarzinomen und Basalzellenkrebs führen. Sonnenbräune ist die durch UV-Strahlung verursachte Verdunkelung der Haut und wird auch als Pigmentverdunkelung oder Bräunung bezeichnet. Es gibt zwei Phasen der Bräunung: die sofortige Pigmentverdunkelung und die verzögerte Bräunung.

Sofortige Pigmentverdunkelung

Eine sofortige Pigmentverdunkelung tritt auf, wenn die reduzierte Form von Melanin in der Haut sofort nach der Exposition der Haut gegenüber UV-Strahlung photooxidiert. Die Pigmentierung verschwindet in der Regel nach einigen Stunden.

Verzögerte Bräunung

Verzögerte Bräunung tritt auf, wenn neue Melaninpigmente über einen längeren Zeitraum gebildet werden, etwa zwei Tage nachdem die Haut der UV-Strahlung ausgesetzt wurde. Die verzögerte Bräunung hält mehrere Monate an.

Durch UVA verursachte Hautprobleme

Es erreicht mehr UVA die Erdoberfläche im Vergleich zu UVB. UVA hat längere Wellenlängen und kann daher Melanin und Keratin im Stratum corneum der Epidermis durchdringen und in die Dermis eindringen.
Wenn UVA die Dermis erreicht, wirkt es sich auf die elastischen Fasern, die Kollagenfasern und das Mukoperiost aus, was zu einer Verschlechterung der Geschmeidigkeit und Festigkeit der Haut führt und Falten, Erschlaffung und andere Alterungseffekte (Photoaging) und Probleme in der Haut verursacht. Es kann auch vorhandenes Melanin oxidieren und die Haut verdunkeln.