Modification of the human hair: modulators of melanogenesis as agents of colour changing

Abstract

A cor do cabelo é um elemento marcante do nosso visual e tem um impacto social irrefutável. Em virtude da importância dada ao aspeto físico, a coloração do cabelo é hoje uma prática bastante comum. Todavia, os efeitos adversos do recurso frequente a tais práticas exigem que novos métodos sejam desenvolvidos para alteração da cor do cabelo. Neste sentido, esta tese teve como objetivo principal demonstrar que, interferindo com o processo fisiológico da pigmentação do cabelo, é possível alterar a sua cor natural a partir do folículo, de forma segura. O tom natural do cabelo é determinado pelo seu conteúdo em melaninas, pigmentos sintetizados por melanócitos do folículo capilar através de um processo conhecido como melanogénese. O presente trabalho foi concebido com base na hipótese de escurecer ou clarear o cabelo via aplicação tópica de modeladores da melanogénese no couro cabeludo. Primeiro, desenvolveu-se um método com base na fluorescência dos produtos de oxidação da melanina, mais expedito que os métodos de quantificação deste pigmento já estabelecidos e com igual ou melhor precisão, exatidão, sensibilidade e especificidade que o método mais usado na literatura. Este novo método foi essencial para a procura de modeladores da produção in vitro de melaninas numa linha celular humana pigmentada. De entre 1200 fármacos com perfil toxicológico bem definido e longo historial de uso seguro em humanos, 23 fármacos apresentaram efeitos significativos. Os quatro com propriedades pro- ou anti-melanogénicas mais acentuadas foram otimizados tendo em vista a sua toxicidade e relação dose-resposta; a atividade da tirosinase foi também avaliada para esclarecer os respetivos mecanismos de ação. Atendendo aos resultados obtidos, um indutor e dois inibidores da melanogénese foram selecionados para testes in vivo em voluntários humanos. Como previsto, o cabelo dos voluntários cresceu mais escuro ou mais claro devido à aplicação tópica do Composto A+ ou Composto B-, respetivamente. O Composto C- diminuiu o teor de melaninas, mas não alterou a cor visualmente percetível dos cabelos. Nenhum efeito adverso foi reportado. A eficiência de um sistema de entrega folicular particulado face a uma solução não particulada foi ainda avaliada ex vivo para o fármaco ciclosporina A, como modelo de tratamento capilar, neste caso, para alopecia. Os resultados confirmaram que nanopartículas de ácido polilático são um excelente veículo de entrega folicular, em particular, para fármacos com baixa permeabilidade cutânea. De acordo com o objetivo inicial, esta tese institui o uso tópico de moduladores da melanogénese como uma inovadora abordagem segura e eficaz na alteração da cor natural do cabelo, sendo o ponto de partida para um novo tipo de cosméticos de coloração capilar.

Hair colour is an undeniable element of body image with great social impact. Given the importance attributed to hair look, the dyeing of hair fibres is today a common practice. Nonetheless, the adverse effects of long-term usage of such fibre colouring procedures demand the development of other methods for colour change. Therefore, the major purpose of this Ph.D. thesis was the development of a new method for hair colour modification by safely interfering with the physiological process of hair pigmentation at the hair follicle level. The natural colour shade of hair is largely defined by its content in melanins, a class of pigments synthesized by follicular melanocytes through a biochemical process known as melanogenesis. The current work was built upon the hypothesis of hair darkening/lightening through the topical treatment of the scalp with modulators of melanin synthesis. First, a new methodology was developed for melanin quantification based on the fluorescence of its oxidation products. This method was more expeditious than other established assays, performing equally or better than the most used method in terms of sensitivity, precision, accuracy, and specificity. This new method was essential for the in vitro search of melanogenesis modulators. A collection of 1200 generic drugs with well-defined toxicological profile and a long history of safe usage in humans was screened regarding the ability to alter the melanin contents of a melanin-producing human cell line. Among the 23 drugs that showed highly significant effects, the top four inducers and inhibitors were selected for further validation and optimization regarding their cytotoxicities and dose-response activities. Additionally, the activity of tyrosinase was also assessed to gain some insight into the mechanisms of action. Taking into consideration the in vitro data generated, three drugs were chosen for a clinical trial with intervention of cosmetics. As predicted, the hair of human volunteers grew darker or lighter due to the topical treatment of their scalps with Compound A+ or Compound B-, respectively. Compound C- also decreased the melanin content of hairs but without visually perceptible colour changes. No adverse effects were reported. The efficiency of a particulate follicular delivery system was also evaluated ex vivo by comparing it to a non-particulate vehicle. Cyclosporine A was used as a model drug of hair treatment, in this case, for alopecia. The results confirmed that polylactic acid nanoparticles are an excellent vehicle for follicular delivery of drugs with low skin permeability. According to its major purpose, this thesis provides pioneer evidence that melanogenesis modulators, applied topically, can safely and effectively change the colour of human hair from the inside out, opening a new window of opportunities for the development of ground-breaking hair colouring cosmetics.