The sun & our skin | Die Sonne & unsere Haut

Beauty

Based on the natural skin color, four different skin types are differentiated:

Basierend auf der natürlichen Hautfarbe werden vier Hauttypen unterschieden:

How to use these values? The sun protection factor (SPF) is multiplied with the value of your self-protection, so for instance a person with skin type II could stay in the sun for about 15 min without any protection and for 7.5 hours after applying a sunscreen with SPF 30 (15 min x 30 = 450 min = 7.5 hours) – theoretically. Often people use too little sun creme, so these values are overestimated. Additionally, sweating and swimming/bathing or simply the contact with clothes impairs the sun protection. Re-applying sun creme and using a high SPF are good ideas.

Wie verwendet man diese Werte nun? Der Lichtschutzfaktor wird mit der Eigenschutzzeit multipliziert und so ergibt sich die potentielle Schutzzeit. Das heißt eine Person mit Hauttyp II könnte ohne Schutz ca. 15 min in der Sonne bleiben, nach dem Auftragen einer Sonnenschutzcreme mit LSF 30 ganze 7,5 Stunden (15 min x 30 = 450 min = 7,5 Stunden). Da aber oft zu wenig Creme verwendet wird, werden die Werte meist überschätzt. Zudem lässt der Schutz durch Schweiß und Schwimmen/Baden oder einfach den Kontakt mit Kleidung nach. Nachcremen und einen hohen LSF zu verwenden sind sinnvoll.

Melanin

Our skin is made up of different cell types, one of them is called melanocytes, which produce the pigment melanin and hand it over to other cells (keratinocytes). This pigment basically determines our skin color and the degree of self-protection against UV-rays. Because melanocytes proliferate and migrate only slowly, scars often stay white (unpigmented). Our genes determine our natural skin color by a different amount, size and shape of the melanin-producing parts within the melanocytes (melanosomes) – the cell count, however, is the same in every person. Also blood flow and other pigments such as carotenoides (from carrots or other orange-red food) influence our skin color. It’s important to differentiate between two types of pigments: eumelanine (brown) and pheomelanine (reddish). The latter is predominantly found in ginger-haired people and the sun protection is only weak. In albinism, one critical enzyme for the melanine production (tyrosinase) is missing.

Unsere Haut besteht aus verschiedenen Zellen, eine Art davon sind die Melanozyten, welche das Pigment Melanin erzeugen und es an andere Hautzellen (Keratinozyten) abgeben. Daraus ergibt sich im Wesentlichen unsere Hautfarbe und der Eigenschutz vor UV-Strahlen. Da sich Melanozyten sehr langsam teilen und wenig mobil sind, bleiben Narben oft unpigmentiert. Unsere natürliche Hautfarbe ist genetisch bestimmt und wird durch die unterschiedliche Anzahl, Größe und Form der melanin-produzierenden Bestandteile in den Melanozyten (Melanosomen) – die Anzahl der Melanozyten selbst ist aber bei jedem Menschen gleich! Unsere Hautfarbe wird auch den Grad der Durchblutung und eingelagerte Pigmente wie Carotinoide (aus Karotten und anderen orange-roten Nahrungsmitteln). Wichtig ist der Unterschied zwischen den beiden Pigmenten Eumelanin (bräunlich) und Phäomelanin (rötlich). Letzteres ist bei rothaarigen Menschen dominant und schützt nur schwach gegen UV-Strahlen. Bei Albinismus fehlt das entscheidende Enzym, um Melanin zu produzieren (die sogenannte Tyrosinase). 

What does melanin do?

Wie wirkt Melanin?

Melanin absorbs light of all wave lengths and neutralizes cell-damaging free radicals. The advantage of dark-skinned people in regions with much sun-exposition is obvious. Light-skinned people, on the other hand, benefit from an easier vitamin D-production in regions with less sun light. The immediate tanning is based on a chemical change of the already existing melanine molecules (mainly by UV-A), decreases over night again and protects only weakly. The actual tan starts only after 48-72 hours (2-3 days) after sun exposition and is primarily triggered by UV-B. The cells (melanocytes) increase their melanine production.

Melanin absorbiert Licht aller Wellenlängen und fängt freie Radikale. Der Vorteil dunkelhäutiger Menschen in UV-reichen Gebieten ist naheliegend, umgekehrt profitieren Hellhäutige von einer höhen Vitamin D3-Synthese bei relativ niedriger Sonnenexposition. Ein sofortiger Bräunungseffekt beruht auf einer rein chemischen Veränderung der vorhandenen Melaninmoleküle (hauptsächlich durch UV-A), bildet sich über Nacht wieder zurück und schützt wenig. Die eigentliche, längerfristige Bräunung beginnt erst nach 48-72 Stunden (2-3 Tagen) und wird vor allem durch UV-B Strahlung getriggert. Dabei kurbeln die Melanozyten ihre Melaninsynthese an.

UV-light

In total sunlight is composed of 50% visible light, 45% infrared light and 5% ultraviolet light (UV). UV-light is further divided into UVA, UVB and UVC depending on its wave length (i.e. energy). This classification reflects the different properties (see following table).

UV-Licht

Insgesamt besteht unser Sonnenlicht aus ca. 50% sichtbarem Licht, 45% aus Infrarotlicht und 5% aus ultraviolettem Licht (UV). UV-Strahlen werden je nach Wellenlänge (also Energie) unterteilt in UV-A, UV-B und UV-C. Diese Einteilung spiegelt die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Strahlen wider (siehe Tabelle).

What does UV-light do?

Radiation or waves are nothing else than energy. This energy leads to immediate damage if applied to DNA, proteins or other cell parts. In addition to this direct effect, cells adapt to intense light exposition by producing more protecting melanin, as well as inflammatory molecules and by attenuating the immune system. The latter effect is used in medicine as so-called phototherapy, that is UV-light application to treat inflammatory skin diseases.

Wie wirkt UV-Strahlung?

Strahlung bedeutet im Prinzip nicht anderes als Energie. Diese Energie führt zu sofortigen Schäden, wenn sie auf DNA, Proteine oder andere Zellbestandteile trifft. Neben diesem direkten Efffekt, verändern Zellen ihr Verhalten, um sich vor diesen Schäden zu schützen – es wird mehr Melanin produziert, außerdem Entzündungsstoffe gebildet und das Immunsystem gedämpft. Dieser letzte Effekt hat zur Folge, dass UV-Licht als Behandlung entzündlicher Hauterkrankungen (Phototherapie) genützt wird.

Acute UV-damage: The skin gets red (erythema), more tanned (pigmentation) and thicker (hyperplasia). A sunburn (erythema solare) is primarily caused by UVB and lasts for a few hours up to 3 days. High UV-doses further cause blisters or even cell death, fever and malaise. What helps? Simple cooling lotions alleviate the painful redness. In severe cases with fever, it is necessary to be treated in a hospital and get cortisone. 

Akuter UV-Schaden: Die Haut wird rot (Erythem), dunkler (Pigmentierung) und dicker (Hyperplasie). Der Sonnenbrand (Erythema solare) wird vorwiegend durch UV-B Strahlen ausgelöst und dauert zwischen wenigen Stunden bis 3 Tage an. Bei hoher UV-Dosis bilden sich zudem Blasen, Zellen sterben sogar ab, es entstehen Fieber und ein allgemeines Krankheitsgefühl. Was hilft? Kühlende Lotionen lindern die schmerzhafte Rötung. Bei schweren Fällen mit Fieber ist sogar eine stationäre Aufnahme im Krankenhaus und Cortisongaben notwendig. 

Chronic UV-damage: „The skin never forgets“ is a saying with a true background. The risk of long-term damage increases directly with the light dose collected throughout life – the damage accumulates. First, this damage translates into early skin aging: the skin gets thin, saggy, wrinkled, spotted, and very thin vessels show up. This light aging is irreversible, so no way back – unless you ask your plastic surgeon. Secondly, we talk about cancer: UV-rays increase the risk of skin cancer by directly damaging DNA and inhibiting the immune system. Many studies have shown the association between the life-time dose of sunlight and skin cancer. 

Chronische UV-Schäden: „Die Haut vergisst nicht“, ein Sprichwort mit wahrem Hintergrund. Das Risiko für Langzeitschäden steigt mit der im ganzen Leben gesammelten Dosis – die Schäden akkumulieren. Zum einen handelt es sich um Lichtalterung: UV-Licht beschleunigt die natürliche Hautalterung. Die Haut wird dünn, schlaff, faltig, fleckig und zeigt eine feine Gefäßzeichnung. Die Lichtalterung ist prinzipiell irreversibel, also unumkehrbar – außer man fragt seinen plastischen Chirurgen um Rat. Zum anderen Krebs: UV-Strahlen erhöhen das Krebsrisiko durch direkte DNA-Schäden und Dämpfung des Immunsystems. Viele Studien belegen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Lebenszeitdosis an Sonnenstrahlung und Hautkrebs. 

One very impressive examples of the longterm effect of sun exposure can be seen in this case report (Gordon J et Brieva C, NEJM 2012, https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1104059): an American trucker, whose left face (window side) is much more aged than his right.

Ein sehr eindrückliches Beispiel für die Wirkung langjähriger Sonnenexposition ist in diesem Fallbericht zu sehen (Gordon J et Brieva C, NEJM 2012, https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1104059): ein amerikanischer Trucker, dessen linke Gesichtshälfte (Fensterseite) deutlich mehr gealtert ist als seine rechte.

Sun protection

Clothes are an effectice sun protection. Another alternative are sunblockers: they absorb (chemical) and/or reflect (physical/mineral) UV-rays. The latter remain as as thin white layer on the skin (for instance zinc oxide, titanium oxide). Important: the sun protection factor is determined by their effect on UVB-light only, given the negative effects of UVA you should look for broadband protection. Pre-tanning in the tanning bed only leads to immediate tanning and only very weak sun protection. Also chemical self-tanning cream triggers chemical alterations of proteins, which does not protect from sun-light.

Sonnenschutz

Kleidung ist ein wirksamer Sonnenschutz. Eine Alternative bieten Sonnencremes: sie absorbieren (chemisch) und/oder reflektieren (physikalisch/mineralisch) UV-Strahlen. Letztere bleiben als weißer Film auf der Hautoberfläche (z.B. Zinkoxid, Titanoxid). Wichtig: der deklarierte Lichtschutzfaktor (LSF oder englisch sun protection factor, SPF) bezieht sich nur auf die UV-B Strahlen. Vorbräunen etwa im Solarium bietet keinen ausreichenden Schutz, da vor allem kurzfristige (UV-A) Bräune erzielt wird und diese nicht so effektiv gegen Sonnenstrahlung schützt. Auch chemische Selbstbräunungscremes führen lediglich zu einer chemischen Veränderungen der Eiweiße in der Hornhaut, was nicht vor UV-B schützt.

Sources / Quellen:

  1. http://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/wirkung/hauttypen/hauttypen_node.html
  2. FRITSCH Dermatologie und Venerologie für das Studium, Springer Medizin Verlag Heidelberg, 2009, (Seiten 16-18, 84-89)
  3. Dupont E et al. (2012) International Journal of Cosmetic Science: Beyond UV radiation: A skin under challenge 

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