Freie Radikale: Wie können Antioxidantien sie bekämpfen?

Die freien Radikale sind instabile Moleküle, die vom Organismus auf natürliche Weise gebildet werden im Verlauf physiologischer Prozesse wie der zellulären Atmung oder enzymatischer Aktivität entstehen. Sie verfügen über ein ungepaartes Elektron in ihrer äußeren Elektronenhülle, was sie außerordentlich reaktiv macht. Um ihre Stabilität zurückzugewinnen, versuchen diese chemischen Spezies, ein Elektron aufzunehmen oder abzugeben, wodurch eine Kaskade von Oxidationsreaktionen ausgelöst wird, die Membranlipide, Proteine und DNA schädigen kann. Zu den wichtigsten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), einer Kategorie freier Radikale, gehört das Superoxid (O2•-), das Hydroxylradikal (•OH) und das Wasserstoffperoxid (H2O2). Weitere reaktive Stickstoffspezies (RNS), wie Stickstoffmonoxid (NO•) und Peroxynitrit (ONOO⁻), tragen ebenfalls zum oxidativen Ungleichgewicht bei.

Unter normalen Bedingungen ist die Produktion freier Radikale reguliert: Sie spielt sogar eine vorteilhafte Rolle bei bestimmten biologischen Funktionen wie der Immunabwehr oder der zellulären Signalübertragung. Wenn ihre Entstehung jedoch die antioxidativen Kapazitäten der Haut, ein Ungleichgewicht entsteht: der oxidative Stress. Dieser fördert die Lipidperoxidation, schädigt Strukturproteine wie Kollagen und Elastin und stört die DNA-Reparaturmechanismen. Die Folgen des oxidativen Stresses auf die Haut sind vielfältig und äußern sich insbesondere in einem fahlen Teint, einem Elastizitätsverlust und einer beschleunigten Hautalterung.

Neben dem Stoffwechsel tragen verschiedene Umweltfaktoren zur Entstehung freier Radikale in Hautzellen bei, wie UV-Strahlung, Umweltverschmutzung oder Tabakkonsum.

Antioxidantien wirken wie ein molekularer Schild, indem sie freie Radikale neutralisieren, bevor diese Zellstrukturen schädigen können. Ihre Hauptstrategie beruht auf der Elektronenspende : sie gleichen das fehlende Elektron des freien Radikals aus, ohne selbst instabil zu werden. Diese Fähigkeit verdankt sich der chemischen Struktur der Antioxidantien, die häufig reich an konjugierten Doppelbindungen oder an phenolischen Gruppen sind, wodurch die elektronische Ladung delokalisiert wird. So absorbiert das Antioxidans die reaktive Energie des Radikals, stabilisiert dieses und unterbricht die Kette oxidativer Reaktionen. Dies ist zum Beispiel bei der Vitamin E oder der Vitamin C.

Andere Antioxidantien, wie etwa die Ferulasäure, wirken nach Chelationsmechanismen, indem sie Übergangsmetalle wie Eisen (Fe²⁺) oder Kupfer (Cu²⁺) binden, die die Bildung besonders toxischer Hydroxylradikale katalysieren über die Fenton-Reaktion. Einige polyphenolische Verbindungen, wie Flavonoide, wirken ebenfalls durch Stabilisierung freier Radikale durch Resonanz, wobei sie ihre überschüssige Energie als Wärme oder Licht abgeben.

Schließlich wirkt ein Teil der Antioxidantien, indem es die natürlichen antioxidativen Enzyme stärkt der Haut wie Superoxiddismutase, Katalase oder Glutathionperoxidase, die Radikale in harmlose Moleküle wie Wasser oder Sauerstoff umwandeln. Man kann zum Beispiel Niacinamid nennen Niacinamid, das die NADPH-Spiegel erhöht, die als essentieller Cofaktor für die Glutathionreduktase dienen, und so zur Regeneration des reduzierten Glutathions (GSH) beiträgt, dem wichtigsten intrazellulären Antioxidans.

Endogene Antioxidantien bilden die erste Verteidigungslinie der Haut gegen freie Radikale. Sie werden vom Organismus auf natürliche Weise produziert und ermöglichen es, oxidative Schäden zu erkennen, zu neutralisieren und zu reparieren, bevor diese die Zellstrukturen beeinträchtigen. Man unterscheidet zwei Arten von Antioxidantien: enzymatische und nicht-enzymatische Antioxidantien.

Enzymatische Antioxidantien, Katalysatoren gegen oxidativen Stress.

Zu den wichtigsten enzymatischen Antioxidantien gehören die Superoxiddismutasen (SOD), die Katalase, die Glutathionperoxidase, die Glutathionreduktase, die Peroxiredoxine und das Ferritin, die jeweils eine präzise und komplementäre Wirkungsweise aufweisen. Diese Enzyme sind insbesondere in der Epidermis konzentriert, der äußersten Schicht der Haut. Die Superoxiddismutasen wirken, indem sie das Superoxidanion (O2•-), das vor allem durch die mitochondriale Atmung entsteht, in Wasserstoffperoxid (H2O2), das weniger reaktiv ist. Es existieren drei Formen: SOD1, lokalisiert im Zytosol und Zellkern, SOD2, in den Mitochondrien, und SOD3, im extrazellulären Raum. Diese Enzyme verhindern die Ausbreitung der von Superoxid-Anionen initiierten Kettenreaktionen.

Katalase, die hauptsächlich in den Peroxisomen der Hornschicht lokalisiert ist, spaltet anschließend das von den SOD gebildete Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Ihre Konzentration in der Haut übertrifft die der anderen antioxidativen Enzyme. Glutathion (GSH) und seine assoziierten Enzyme, die Glutathion-Peroxidase (GPx) und die Glutathion-Reduktase (GR), sind ebenfalls wichtig. GSH neutralisiert freie Radikale direkt durch seine Thiolgruppe und regeneriert andere Antioxidantien wie Vitamin E. Wenn es oxidiert wird, bildet es ein Dimer (GSSG), das die Glutathion-Reduktase mithilfe von NADPH wieder in GSH zurückverwandelt. Die selenabhängige Glutathion-Peroxidase setzt ihrerseits das H2O2 und stoppt die Lipidperoxidation, wodurch die Zerstörung der Zellmembranen verhindert wird.

Mit zunehmendem Alter neigen die antioxidativen Abwehrmechanismen der Haut dazu, abzunehmen.

Anmerkung : Weitere Enzyme ergänzen diese antioxidative Barriere, wie Ferritin, ein Eisenspeicherprotein, und Peroxiredoxine (PRDX), die Peroxide neutralisieren.

Nicht-enzymatische Antioxidantien, molekulare Verbündete für die Haut.

Abgesehen von den Enzymen verfügt die Haut über weitere nicht-enzymatische Antioxidantien. Diese Verbindungen, die häufig über die Nahrung aufgenommen werden, ergänzen die Wirkung der enzymatischen Abwehrmechanismen. Zu den wichtigsten zählen die Vitamine C und E, Beta-Carotin, Harnsäure und Coenzym Q10.

• Vitamin C : Es ist das häufigste wasserlösliche Antioxidans der Haut. Da es vom menschlichen Organismus nicht selbst synthetisiert werden kann, muss es über die Ernährung zugeführt werden. Sein Wirkmechanismus beruht auf einer direkten Elektronenspende an freie Radikale, wodurch diese in stabile und nicht reaktive Formen überführt werden. Vor allem in der Dermis vorhanden, spielt Vitamin C außerdem eine Rolle als enzymatischer Cofaktor bei der Synthese von Kollagen, beteiligt an der Stabilität der extrazellulären Matrix.

• Vitamin E : Fettlöslich, integriert es sich in Zellmembranen und das Sebum, wo es die Lipide vor Peroxidation schützt. Es fängt Peroxylradikale ab, bevor diese die oxidative Reaktion ausbreiten. Das gebildete Tocopheroxylradikal wird anschließend durch Vitamin C oder Glutathion regeneriert, was die Synergie zwischen wasser- und fettlöslichen Antioxidantien veranschaulicht. Über seine Rolle als Radikalfänger hinaus beeinflusst Vitamin E bestimmte intrazelluläre Signalwege, insbesondere die Proteinkinase C, und trägt so zur Modulation der inflammatorischen und lichtinduzierten Reaktion bei.

• Das Beta-Carotin : Als Vorstufe von Vitamin A ergänzt Beta-Carotin die antioxidativen Abwehrmechanismen der Haut, indem es Peroxylradikale abfängt und die von Lipoxygenasen erzeugten reaktiven Spezies hemmt. Dank seiner Struktur mit zahlreichen Doppelbindungen kann es überschüssige Energie absorbieren und Radikale stabilisieren über die Bildung transitorischer Epoxide.

• Harnsäure : Sie ist in der Lage, Hydroxylradikale, Singulettsauerstoff und bestimmte metallische Oxidantien zu neutralisieren. In der Haut bleibt ihre Wirkung aufgrund der geringen Gewebevaskularisierung eingeschränkt, trägt jedoch maßgeblich zum systemischen Oxidationsschutz bei.

• Das Coenzym Q10 : Auch bekannt als Ubichinon, ist das Coenzym Q10 ein lipidlösliches Molekül, das in den Mitochondrienmembranen lokalisiert ist. Es erfüllt eine doppelte Rolle: als Cofaktor der Atmungskette und als Radikalfänger lipidischer Radikale. In seiner reduzierten Form (Ubichinol) unterbricht es die Kettenreaktion der Peroxidation und schützt gleichzeitig andere lipidlösliche Antioxidantien wie Vitamin E.

Das NRF2-Regulatorsystem, eine Ergänzung der antioxidativen Hautabwehr.

Über die enzymatischen und nicht-enzymatischen Antioxidantien hinaus verfügt die Haut über transkriptionelle Regulationssysteme, die ihre Antwort auf oxidativen Stress anpassen können. Unter ihnen nimmt der Signalweg des Transkriptionsfaktors NRF2 (nuclear factor erythroid 2–related factor 2) eine zentrale Stellung ein. In der Tat NRF2 kontrolliert die Expression einer Vielzahl von Genen, die an der Neutralisation freier Radikale beteiligt sind und an der Wiederherstellung des Redox-Gleichgewichts.

Unter normalen Bedingungen bleibt NRF2 im Zytoplasma inaktiv, gebunden an das Protein KEAP1 und an Culin 3, die seinen Abbau durch Ubiquitinierung fördern. Wenn jedoch der oxidative Stress zunimmt, werden die Cysteinreste von KEAP1 oxidiert, was seine Konformation verändert und NRF2 freisetzt. Dieses wandert dann in den Zellkern, wo es an antioxidative Antwort-Elemente (ARE) bindet und die Transkription schützender Enzyme wie Katalase, Superoxiddismutase oder Glutathionreduktase initiiert. NRF2 reguliert außerdem die Produktion nicht-enzymatischer Proteine mit antioxidativem Potenzial, wie Ferritin.

Obwohl die Haut über eigene antioxidative Abwehrsysteme verfügt, schwächen diese Mechanismen mit der Zeit sowie durch wiederholte Einwirkungen äußerer Umweltbelastungen wie UV-Strahlung. Daher ist es wichtig, sie durch eine externe Zufuhr von Antioxidantien – sei es über die Ernährung oder kosmetische Produkte – zu unterstützen.

Die Ernährung als interner Hebel zur Verstärkung der antioxidativen Abwehr.

Die erste Möglichkeit, die antioxidativen Abwehrkräfte der Haut und des gesamten Körpers zu stärken, ist eine ausgewogene Ernährung, die reich an Antioxidantien ist. Lebensmittel wie Obst, Gemüse, pflanzliche Öle, Nüsse und fettreicher Fisch liefern ein breites Spektrum schützender Moleküle wie die Vitamine A, C und E sowie Polyphenole. Diese Verbindungen verteilen sich nach der Aufnahme im gesamten Organismus über die Blutbahn und tragen zur Neutralisierung freier Radikale bei. Carotinoide zum Beispiel integrieren sich in die Struktur der Zellmembranen, während das wasserlösliche Vitamin C in den intrazellulären wässrigen Kompartimenten wirkt.

Eine randomisierte, doppelblinde Studie bewertete die Wirksamkeit eines mit Polyphenolen angereicherten Nahrungsergänzungsmittels (Konzentration nicht angegeben) bei 100 an städtischer Luftverschmutzung exponierten Arbeitern. Es bestand aus vier standardisierten Pflanzenextrakten (Olea europaea, Lippia citriodora, Rosmarinus officinalis und Sophora japonica), wurde das Nahrungsergänzungsmittel verabreicht, um seinen Einfluss auf den oxidativen Hautstress zu untersuchen. Dieser wurde durch die Messung des Lipoperoxid-Gehalts (LPO), dargestellt durch Malondialdehyd (MDA), in der Hornschicht bewertet.

Die Ergebnisse zeigten eine statistisch signifikante Abnahme des MDA-Gehalts in der Hornschicht bei den Probanden, die das Nahrungsergänzungsmittel eingenommen hatten, bereits nach 4 Wochen mit weiterer Zunahme nach 8 und 12 Wochen. In der Placebo-Gruppe wurde keine Veränderung beobachtet, was den Effekt des Supplements auf den kutanen oxidativen Stress zu bestätigen scheint. Gleichzeitig verbesserten sich Elastizität, Festigkeit und Hydratation der Haut, der transepidermale Wasserverlust nahm ab und die Pigmentierung dunkler Flecken wurde reduziert, während das Placebo keinerlei Wirkung zeigte. Die Studie bestätigt somit den Nutzen einer oralen Zufuhr von Antioxidantien, um den durch Umweltverschmutzung induzierten oxidativen Stress zu begrenzen und die antioxidativen Abwehrmechanismen der Haut zu unterstützen.

Antioxidative topische Pflege, eine Barriere gegen oxidativen Stress.

Die topische Anwendung von Antioxidantien ermöglicht eine gezielte Wirkung direkt auf die Haut. Im Gegensatz zur oralen Einnahme, die von der systemischen Bioverfügbarkeit abhängt, bieten kosmetische Formulierungen eine lokal fokussierte Wirkung. Zu den am häufigsten eingesetzten Wirkstoffen zählen Vitamin C, Vitamin E, Resveratrol, Ferulasäure und Grüntee-Extrakte, die reich an Polyphenolen sind. Kombiniert mit einem systematischen Sonnenschutz, bilden topische Antioxidantien heute einen Grundpfeiler in der Strategie der Photoprotektion und der Prävention der Hautalterung, indem sie die endogenen antioxidativen Abwehrmechanismen der Haut ergänzen.

Mehrere Studien haben die Auswirkungen topischer Antioxidantien auf die Haut untersucht, darunter eine von ROSSI und seinem Team. Die Forscher bewerteten die antioxidative Aktivität in situ eines Produkts mit drei Antioxidantien: einem Vorläufer von Vitamin E, Retinaldehyd und Glycylglycin-Oleamid. 20 Probanden trugen diese Formulierung oder das Vehikel täglich über 30 Tage auf Hautareale auf, die einer kontrollierten UVA-Dosis (5 J/cm² über 2 Minuten) ausgesetzt waren, und der oxidative Stress der Haut wurde 4 und 24 Stunden nach der Exposition am Tag 0 sowie nach 15 und 30 Tagen Anwendung durch Messung der Lipidperoxidation (LPO) in der Hornschicht bewertet. Die unten dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die antioxidative Formulierung die antioxidative Kapazität der Haut signifikant erhöht hat und bestätigen den Nutzen der topischen Anwendung von Antioxidantien zur Vorbeugung UV-induzierter oxidativer Schäden.

• PACKER L. & al. Enzymic and non-enzymic antioxidants in epidermis and dermis of human skin. Journal of Investigative Dermatology (1994).

• CHUNG J. H. & al. Aging- and photoaging-dependent changes of enzymic and nonenzymic antioxidants in the epidermis and dermis of human skin in vivo. Journal of Investigative Dermatology (2001).

• RICHTER K. & al. Oxidative stress in aging human skin. Biomolecules (2015).

• TSUJI G. & al. Antioxidants for healthy skin: The emerging role of aryl hydrocarbon receptors and nuclear factor-erythroid 2-related factor-2. Nutrients (2017).

• ROSSI A. B. & al. In situ antioxidant activity of a dermo‐cosmetic product: A randomized controlled clinical study. Experimental Dermatology (2019).

• CATURLA N. & al. Antioxidant and reduced skin-ageing effects of a polyphenol-enriched dietary supplement in response to air pollution: A randomized, double-blind, placebo-controlled study. Food and Nutrition Research (2021).

• BELLEI B. & al. Focus on the contribution of oxidative stress in skin aging. Antioxidants (2022).

• OFFIDANI A. & al. The double-edged sword of oxidative stress in skin damage and melanoma: From physiopathology to therapeutical approaches. Antioxidants (2022).

• SUTEU D. & al. Bioactive compounds for combating oxidative stress in dermatology. International Journal of Molecular Sciences (2023).

• HOUKETCHANG NDOMOU S. C. & al. The use of plants as phytobiotics: A new challenge. Phytochemicals in Agriculture and Food (2023).

• SALCEDA R. Light pollution and oxidative stress: Effects on retina and human health. Antioxidants (2024).

• BERNATONIENE J. & al. Naringin vs. citrus x paradisi L. peel extract: An in vivo journey into oxidative stress modulation. Antioxidants (2025).