Hair modulation and transdermal delivery: optimization through molecular dynamics simulations

Abstract

Hair is a symbol of beauty and a key element in the self-image of humans. Much time, effort and money are applied in the hair care, and the aggressive cosmetic market strongly invests in the research and development of new hair products with several claims. Nowadays much is known about the hair, from its morphological characteristics, to the genetics behind its stages of grow and rest, however many aspects also remains unknown. The precise determination of the keratin intermediary filaments arrangement in the hair structure is one important issue needing more study. A better understanding of this assembling and the way how it is affected by external elements can greatly improve the research in the hair field, and the developing of new products and applications. The transdermal delivery of drugs is an exciting area, since avoids several disadvantages of oral, pulmonary and intravenous routes. However the skin is an impermeable barrier, challenging the delivery of the drug by this route. Several new systems/formulations and techniques have been studied to increase the rate and the number of drugs delivered topically. The stratum corneum is the outermost layer of the skin, and is pointed as the major limiting to its translocation by the drugs. So, this skin layer is actually target of intense research, but seems not enough to the establishment of widely transdermal delivery systems. Molecular dynamics simulations, with its inherent advantages and with the ability to study, at the atomic level, the mechanisms behind the keratin assembling in the hair, as well the interaction between skin lipids and molecules in transdermal delivery, can quickly boost the knowledge in these areas. This project aims to study the impact in the hair of the interaction between compounds or formulations with its fiber contain to modulate the hair, and aims to optimize the transdermal drug delivery, using molecular dynamics simulations. The development of robust molecular dynamics models of these phenomena to allow the proposed studies is the key of this thesis.

O cabelo é um símbolo de beleza e um elemento chave na imagem dos humanos. Muito tempo, esforço e dinheiro são despendidos no tratamento capilar, e o mercado agressivo da cosmética investe fortemente na pesquisa e desenvolvimento de novos produtos para o cabelo com várias reivindicações. Nos dias de hoje muito se sabe sobre o cabelo, desde as suas características morfológicas à genética por de trás das suas fases de crescimento e estagnação, no entanto muitos aspetos continuam desconhecidos. A determinação precisa da estruturação dos filamentos intermediários de queratina no cabelo é exemplo de um tema que necessita mais estudo. Uma melhor compreensão desta estruturação e de como ela é afetada por elementos externos pode melhorar significativamente a investigação na área capilar e o desenvolvimento de novos produtos e aplicações. A entrega transdérmica de drogas é uma área interessante, uma vez que evita muitas desvantagens da entrega de drogas por via oral, pulmonar e intravenosa. A pele é no entanto uma barreira impermeável, desafiando a entrega de drogas por esta rota. Vários sistemas, formulações e técnicas têm sido estudadas para aumentar a taxa e o número de drogas entregues por via da pele. A camada mais externa da pele, o estrato córneo, é apontado como o maior responsável pelo seu limitado atravessamento por drogas. Assim essa camada é alvo de intenso estudo, embora não pareça ser suficiente para o aparecimento de sistemas de amplo espectro para entrega transdérmica. As simulações por dinâmica molecular podem rapidamente aumentar o conhecimento nestas áreas, devido às suas vantagens inerentes e à possibilidade do estudo a nível atómico de mecanismos responsáveis pela estruturação do cabelo, bem como do estudo da interação de moléculas com os lípidos da pele. Esta tese tem como objetivos o estudo da interação do cabelo com compostos ou formulações para modulação capilar, bem como otimizar a entrega transdérmica de drogas, usando em ambos os casos simulações de dinâmica molecular. O desenvolvimento de modelos robustos de dinâmica molecular desses processos, para permitir os estudos propostos é o fator chave desta tese.