In vivo sun protection factor and UVA protection factor determination using (hybrid) diffuse reflectance spectroscopy and a multi-lambda-LED light source

In vivo method for evaluating sunscreen protection against high-energy visible light

BACKGROUND

Overexposure to sunlight can have many harmful biological effects on the skin, leading to skin cancer and photoaging. As ultraviolet (UV) radiation has been identified as a cause of DNA damage and oxidative stress in the skin, the photoprotection provided by sunscreens is evaluated through their ability to filter UV light, using the sun protection factor (SPF). However, recent data have shown that high-energy visible (HEV) light can also cause biological skin damage.

OBJECTIVES

To develop a new in vivo method for evaluating the protection provided by sunscreens across a broad range of wavelengths, including the HEV band, based on multispectral image analysis.

METHODS

This study evaluated the absorption properties of six commercially available sunscreens (five SPF 50+ products containing organic UV filters, and one product containing the wide spectrum filter, phenylene bis-diphenyltriazine [TriAsorB™]) and of a control product containing no filter. Multispectral images were acquired from the skin on the forearms of healthy volunteers, before and after application of the test products. Images taken with LEDs emitting light at wavelengths ranging from UV to infrared were used to generate light reflectance maps for each product. The levels of absorbance of light in the UV and visible bands were then calculated.

RESULTS

The product containing the wide spectrum filter exhibited significantly higher absorbance over the HEV band (380-450 nm) than the control product and the other commercial sunscreens. All the sunscreens tested showed the same level of absorbance at 365 nm (UVA).

CONCLUSIONS

Multispectral imaging provides a simple and reliable in vivo method for assessing the real-world protection provided by sunscreens against all forms of photo-induced skin damage, including that induced by HEV radiation.

[Characterization of sun protection performance: Quo vadis?]

Die Aufgabe der ersten Sonnenschutzmittel war es, die Entstehung von Sonnenbrand zu verhindern und, dem Zeitgeist der 1950/60er-Jahre folgend, die Bräunung der Haut nicht zu beeinträchtigen. Schnell entstand die Notwendigkeit, die Schutzleistung zu quantifizieren. Ursprünglich unter Zuhilfenahme des natürlichen – heute eines künstlichen – Sonnenlichts wurde eine Methode zur Bestimmung eines Sonnenschutzfaktor (SPF) entwickelt. Dieser ist heute formal als das Verhältnis zwischen minimaler erythemwirksamer UV-Dosis auf mit Sonnenschutzmittel geschützter und minimaler erythemwirksamer UV-Dosis auf ungeschützter Haut definiert (ISO 24444:2019). Drei Beobachtungen stellen die Eignung der Methode infrage: 1) Zwischen-Labor-Variabilität: Trotz strenger Normierung sind Resultate von SPF-Bestimmungen aus verschiedenen Labors und Regionen sehr großen Schwankungen unterworfen. 2) Natürliches vs. künstliches Sonnenlicht: Das Strahlungsspektrum des künstlichen Sonnenlichts unterscheidet sich von dem des natürlichen Sonnenlichts. Die mit künstlichem Sonnenlicht bestimmten SPFs (wie auf allen derzeit im Handel befindlichen Sonnenschutzmitteln abgebildet) sind im Vergleich zur SPF-Bestimmung mit natürlichem Sonnenlicht deutlich zu hoch. 3) Erythembelastung: Bei der Bestimmung des SPF werden die Probanden potenziell schädlicher Strahlung ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund werden alternative Methoden – In-vitro-SPF, hybride diffuse Reflexionsspektroskopie (HDRS) und In-silico-Berechnungen – vorgestellt. Diese haben das Potenzial, die heutige mit erheblichen Einschränkungen verbundene Methode abzulösen. Als Sofortmaßnahme wird die Rückbesinnung auf die für alle verständliche Beschreibung niedriger, mittlerer, hoher und sehr hoher Schutz empfohlen, in Zukunft unter Berücksichtigung des Spektrums des natürlichen Sonnenlichtes.