Revisão bibliográfica sobre o efeito da irradiação no fio capilar

No site da “web of science” foram encontrados 196 artigos e 106 patentes com as palavras-chave “cabelo humano” e “radiação solar” e 780 artigos e 356 patentes com as palavras-chave “cabelo humano” e “ultravioleta” II, mostrando que há uma quantidade significativa de trabalhos que estudam o efeito da irradiação no fio capilar [47]. As patentes [48, 49, 50, 51] mostram diferentes substâncias químicas que podem ser inseridas em formulações cosméticas e usadas com a finalidade de proteger o cabelo ou a pele da radiação solar. Essas substâncias absorvem radiação na faixa do ultravioleta ou são antioxidantes. As patentes, porém, não descrevem testes sobre a eficiência desses ativos na proteção dos fios capilares. Os artigos para a revisão bibliográfica foram escolhidos de acordo com os avanços científicos que eles geraram na área de fotodegradação capilar. Também, tentou-se dar um enfoque para a literatura mais recente. Importantes modificações químicas e físicas são descritas nesses artigos, deixando bem claro que a radiação solar causa danos à estrutura capilar.

Alterações químicas causadas no cabelo devido a processos de irradiação

O processo mais descrito na literatura de fotodegradação capilar é a oxidação do aminoácido cistina e formação de ácido cisteico. Bahl e Robbins em 1984 [52] investigaram essa reação de oxidação através da técnica de espectroscopia eletrônica por análise química (ESCA). Essa técnica foi utilizada para estudar alterações químicas no fio intacto, sem a necessidade de solubilizar o cabelo, sendo que as medidas atingem uma profundidade de 20 a 30 Å. Dessa maneira, foram realizadas medidas na superfície do fio capilar e nas regiões internas através de cortes transversais do fio. Para esse trabalho, foram utilizadas amostras de cabelo comum, que foram irradiadas por duas lâmpadas (modelo XX 15C da Ultra-Violet Products, Califórnia/ EUA), que emitem radiação na faixa UV, com

II _{Busca de artigos usando as estratégias: 1) tópico “human hair” AND tópico “sun} radiation”; e 2) tópico “human hair” AND tópico “ultraviolet”.

máximo de intensidade em 360 nm. A irradiação foi realizada por um período de até 312 h e a dose das lâmpadas não foi descrita no trabalho. As condições de umidade relativa e temperatura do experimento foram de 50-70% e 21 °C.

Bahl e Robbins mostraram que, quando o cabelo é irradiado, ocorre uma reação de oxidação em que o aminoácido cistina se transforma em ácido cisteico. Além disso, mostraram que essa reação de oxidação ocorreu principalmente na superfície do fio capilar, local onde foi medida uma maior quantidade de ácido cisteico em relação ao interior do fio (córtex). Esse resultado indica que a radiação tem um efeito muito mais pronunciado na cutícula do que no córtex do cabelo. Os autores propuseram um esquema para a oxidação da cistina através do rompimento da ligação C-S, como apresentado a seguir.

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Hoting e colaboradores também mostraram resultados interessantes sobre a fotodegradação de proteínas, melaninas e lipídeos em três trabalhos publicados na década de 1990 [53, 54, 55]. Esses trabalhos se destacam, pois os pesquisadores fizeram um estudo sistemático sobre o efeito da fotodegradação, utilizando diferentes faixas de radiação (UVB, UVA, Vis e IV). Foram utilizados cabelos tipo comum caucasiano nas cores preto, castanho claro e loiro, que foram escolhidos por possuírem diferentes tipos e proporções de grânulos de melanina. O cabelo preto é formado majoritariamente por eumelanina, enquanto o castanho claro possui uma parcela considerável de feomelanina, além da eumelanina, e o cabelo loiro é o que possui a maior quantidade de feomelanina dos três. Nos trabalhos, foi utilizado um simulador solar com vários tipos de lâmpadas (fluorescente da Philips TC 20W/12; halogênio da Philips 600 W; Osram-Ultra-med 400 W e Osram HMI 575 W), e também filtros para barrar faixas indesejáveis da irradiação. As amostras foram irradiadas por 1008 h (UR > 70% e T de 25-48 °C), com intensidades de irradiação UVB = 2,5 W m-2, UVA = 48 W m-2, Vis = 463 W m-2, IV = 440 W m-2 e global = 1037 W m-2. Os pesquisadores analisaram separadamente os aminoácidos das cutículas e córtex, fizeram medidas de infravermelho da superfície do cabelo e

dos grânulos de melanina isolados do fio capilar e caracterizaram os lipídeos através da técnica de cromatografia em camada delgada e separação por densidade.

Esses trabalhos mostraram principalmente que:

1 - Ácidos graxos livres (lipídeos) são degradados pela radiação UV independente da pigmentação do fio capilar. Por outro lado, a radiação Vis degrada mais os ácidos graxos livres presentes em cabelos com maior quantidade de feomelanina do que em cabelos formados principalmente por eumelanina, sugerindo que a eumelanina protege os ácidos graxos da radiação Vis. É importante salientar que os autores investigaram somente lipídeos livres, ou seja, que não estão covalentemente ligados à estrutura do cabelo. Também, os cabelos não tratados de diferentes pigmentações possuem quantidades e composições muito similares de lipídeos livres, portanto, não havendo correlação entre pigmentação e lipídeos.

2 - As proteínas do cabelo são degradadas principalmente pela radiação UV, sendo que o aminoácido mais degradado é a cistina. Essa degradação foi maior nos aminoácidos da cutícula do que nos aminoácidos do córtex, o que, segundo os autores, se deve ao fato de as melaninas, que só estão presentes no córtex, protegerem essa estrutura da degradação, mas não as cutículas. As alterações medidas nos aminoácidos da cutícula não possuem correlação com a cor inicial do cabelo, devido ao fato dessa região não possuir grânulos de melaninas. Ao contrário, os aminoácidos do córtex do cabelo castanho claro são mais fotodegradados do que os aminoácidos do córtex do cabelo preto. Esse resultado estaria indicando que a eumelanina (presente em maior quantidade no cabelo preto) protege mais o córtex da radiação do que a feomelanina.

3 - Eumelaninas são degradadas principalmente pela radiação Vis e não pela UV, enquanto que as feomelaninas são degradadas por todas as faixas de radiação do espectro. Esses resultados foram obtidos através de medidas de infravermelho de grânulos de melanina isolados da estrutura do cabelo e mostraram que a feomelanina é mais sensível à irradiação.

Os autores sugerem que a maior fotoestabilidade da eumelanina resulta em um melhor efeito protetor ao cabelo do que a feomelanina.

Um resultado conflitante é encontrado nos trabalhos de Hoting e colaboradores. Esses autores mostraram que os grânulos de eumelanina são degradados principalmente pela faixa de radiação Vis e também, que a eumelanina protege as proteínas da radiação UV. Sabe-se, porém, que ao proteger as proteínas do cabelo da irradiação, os pigmentos são degradados ou oxidados [15] e, dessa maneira, seria esperado encontrar grânulos degradados após, principalmente, a radiação UV e não após a radiação Vis.

Pande e Jachowikz em 1993 [56] estudaram especificamente o efeito da irradiação no aminoácido triptofano através da técnica de espectroscopia de fluorescência. Os autores utilizaram cabelo branco padrão Piedmonte (De Meo Brothers) e irradiaram com luz solar por até 72 h (durante o verão de Connecticut/EUA) ou com uma lâmpada em comprimento de onda fixo de 295 nm (UVB) por até 105 min. A quantidade de triptofano no cabelo diminuiu de acordo com o aumento do tempo de irradiação e, assim, os pesquisadores sugeriram que o triptofano poderia ser um indicativo do grau de fotodegradação do cabelo. Porém, a degradação do aminoácido triptofano é apenas um dos danos que ocorrem na estrutura complexa do fio capilar. Apesar de ser difícil utilizar o aminoácido triptofano como indicador de fotodegradação, um trabalho de Jachowicz e colaboradores [57] mostra que a degradação do triptofano está diretamente relacionada com o amarelecimento do cabelo branco.

Inoue e colaboradores [58, 59] propuseram em 2000 um novo mecanismo de fotodegradação do cabelo através da eluição de uma proteína chamada S100A3. A detecção da proteína S100A3 foi realizada através do método conhecido como “western blots”, que é uma técnica analítica usada para detectar proteínas específicas em um extrato de material biológico. Primeiramente, o extrato passa por um gel de eletroforese, para a separação das proteínas e depois, proteínas específicas são transferidas para uma membrana de fluoreto de polivinilideno (PVDF), onde são quantificadas. Os autores utilizaram cabelos tipo comum de japoneses, irradiados com uma lâmpada UVB a 302 nm (Tipo TDM, UVP Inc.) por 100 h (10 J cm-2 h-1). A S100A3 é uma proteína com grande quantidade de cisteina, encontrada principalmente na região da endocutícula. Acredita-se que essa proteína

esteja ligada à queratina do cabelo por ligações de dissulfeto, formando reticulações, e que possui a função de fornecer a integridade estrutural dos fios capilares. Este trabalho mostra que a irradiação UV rompe as ligações de dissulfeto da proteína S1003A, fazendo com que proteínas ficassem livres e aumentando a eluição dessas substâncias do fio capilar.

A formação de radicais livres durante o processo de irradiação também foi investigado por Kirschenbaum e colaboradores em 2000 [60] e Chiarelli-Neto e colaboradores em 2011 [61]. Esses autores mostraram que a radiação Vis pode danificar a estrutura do fio capilar devido à formação de radicais livres como, por exemplo, o radical oxigênio que reage com os grânulos de melanina. Kirschenbaum e colaboradores estudaram cabelo padrão castanho e vermelho (De Meo Brothers) e irradiaram essas amostras com uma lâmpada de xenônio de 150 W, usando um filtro para barrar a radiação UVB, o que possibilitou a irradiação das amostras com as faixas UVA e Vis apenas (0,35 mW cm-2) . As técnicas de ressonância eletrônica de spin e fluorescência foram usadas para monitorar o radical oxigênio e mostraram que esses radicais são formados durante a irradiação do cabelo com UVA e Vis. Também, durante o processo de irradiação, foram formados radicais hidroxila em maior quantidade no cabelo vermelho do que no cabelo castanho, o que indica que a eumelanina é mais efetiva em desativar radicais hidroxila do que a feomelanina. Chiarelli-Neto e colaboradores irradiaram cabelos comum preto, castanho, vermelho, loiro e branco de brasileiras com uma lâmpada de halogênio que emite luz na faixa do Vis (400 a 800 nm). Os pesquisadores mostraram que o radical oxigênio (1O2) é formado no cabelo durante a irradiação e que os grânulos de melanina podem tanto formar quanto desativar esses radicais. Também, sugerem que a formação e supressão do 1O2 depende da pigmentação do cabelo, sendo que a feomelanina gera e desativa 1O2 com melhor eficiência do que a eumelanina.

Outros autores [62] propuseram quatro metodologias experimentais para medir o grau de fotodegradação do fio capilar, que incluem: 1) resultados de degradação das proteínas; 2) medidas de decomposição do aminoácido triptofano; 3) peroxidação de lipídeos; e 4) formação de radicais livres devido a processos de irradiação. Os autores utilizaram cabelo vermelho padrão (De Meo Brothers) e irradiaram as amostras com um simulador solar que emite radiação UVA e Vis (310- 800 nm) por até 48 h em intensidades de 283 W m-2 ou 500 W m-2. Os resultados

mostraram que a radiação UVA e Vis geram radicais livres no fio capilar, já que a quantidade desses radicais aumentou em 163% após 90 min de irradiação a 283 W m-2. Também, a quantidade de proteínas degradadas aumentou 228% após 36 h de irradiação a 500 Wm-2. Além disso, 13% do aminoácido triptofano foi decomposto após irradiação por 48 h e intensidade de 500 W m-2. Por fim, foi medido um aumento de 233% na quantidade de lipídeos peroxidados após 36 h de irradiação com a intensidade de 500 W m-2.

Os trabalhos mostrados anteriormente foram realizados com diferentes sistemas de irradiação e diferentes tipos de cabelo. Apesar dessa variabilidade de procedimentos experimentais, os resultados obtidos estão em acordo e mostram alterações químicas importantes que ocorrem na estrutura do fio. Essas alterações são a oxidação da cistina e de lipídeos, a decomposição do triptofano, ambas causadas pela radiação UV e a degradação das melaninas causadas pela radiação Vis. A área de efeitos químicos da fotodegradação avançou bastante, embora muitas questões importantes permaneçam em aberto, como destaca Wakamatsu, um pesquisador importante na área de caracterização de grânulos de melaninas [39, 63, 64, 65]. O pesquisador ressaltou em um trabalho publicado em 2012 [65] que a literatura existente sobre degradação de melaninas permanece limitada e ambígua e que muitas questões precisam ser mais bem investigadas. Por exemplo, quais seriam as consequências da fotodegradação de eumelaninas e feomelaninas ou se as melaninas estariam sendo fotodegradadas ou apenas fotoclareadas. O autor identifica produtos de oxidação da eumelanina e da feomelanina por incidência de radiação UVA, mostrando que essas melaninas são danificadas no processo. Porém, se a melanina sofre reações de degradação ao interagir com a radiação, radicais livres seriam formados e atuariam como precursores de degradação das proteínas do cabelo. Neste caso, a melanina poderia provocar danos à estrutura do cabelo, em vez de protegê-lo. Exemplos como este ilustram como é necessário avançar em pesquisa pura aplicada nesse assunto.

Alterações físicas causadas no cabelo devido a processos de irradiação

A alteração física causada pela fotodegradação mais reportada na literatura de cabelo é a alteração de cor, que é um efeito que ocorre tanto em

cabelos pigmentados quanto em não pigmentados [6, 7, 8, 14, 66, 67]. O efeito de diferentes faixas de radiação sobre a coloração de cabelos brancos e pigmentados está reportado na literatura [6, 7, 8, 14] e alguns desses resultados já foram apresentados anteriormente na introdução.

Já em relação a alterações na morfologia e ultraestrutura do cabelo após a fotodegradação, existem apenas alguns poucos trabalhos publicados [43, 68, 69, 70, 71]. Weigmann e colaboradores [43, 68] utilizaram FESEM para analisar o efeito da radiação UV aliada a altas taxas de umidade relativa sobre a superfície do cabelo. Nesse trabalho, os autores estudaram cabelo castanho padrão europeu irradiado com um simulador solar (QUV) que possui lâmpadas de xenônio (dose de 50,6 Wm-2 na faixa de 300-400 nm) por até 700 h a T = 50 °C. A intensidade de radiação a que o cabelo foi submetido é, portanto, bastante alta e o método experimental utilizado inclui irradiar as amostras em ciclos de umidades relativas (UR) diferentes. A irradiação foi realizada por 3 h em UR = 95% e por 2,5 h em UR = 10%.

Os autores observaram que a cutícula é a principal região afetada pelo processo. A radiação UV em alta UR causou o colapso das células cuticulares, levando a um afinamento da cutícula, como pode ser observado comparando-se as micrografias de fios diferentes mostradas nas Figuras 12(a) e (b), obtidas em fios de controle e fios submetidos ao tratamento, respectivamente. A hipótese formulada por Weigmann e colaboradores é que a fotodegradação libera na superfície da cutícula peptídeos solúveis e de baixo peso molecular, que são capazes de saírem do fio capilar. Esse processo seria altamente dependente do estado de umidade a que a amostra foi submetida, uma vez que ele foi observado sob UR = 95%, mas não a UR = 10%.

O afinamento da cutícula também foi observado por Longo e colaboradores [69], que usaram SEM e AFM para investigar a morfologia de fios de cabelo preto padrão caucasiano irradiados por 160 h com lâmpada de Xe. Essas amostras também foram irradiadas sob umidades relativas e temperaturas relativamente altas (50 a 100% e 60 C, respectivamente) e os principais efeitos da fotodegradação observados foram a remoção de células cuticulares, a formação de bolhas grandes (de até 1 m) na superfície da cutícula e um aumento da rugosidade da superfície, parâmetro que foi medido nas imagens de AFM que estão na Figura 9.

Figura 8: Micrografias de FESEM de fios de cabelo padrão castanho em (a) antes e em (b) após exposição à radiação UV por 700 h e submetidas a ciclos de umidade (UR de 95% e 10%) [43].

Figura 9: Imagens de AFM de fios de cabelo padrão preto em (a) antes e em (b) após 160 h de exposição à radiação UV [69].

A pesquisadora Won-Soo Lee também estudou variações morfológicas em cabelos irradiados, por meio de imagens de TEM e SEM, utilizando cabelos tipo comum coreanos ou cabelos padrão asiático, europeu e africano (De Meo Brothers) [70, 71]. As amostras foram irradiadas usando um simulador solar (HOUVA II UAB- 001, EUA) com faixas de irradiação no UVA (80 J para 48 h) e UVB (32 J para 48 h), sob UR = 30% e em temperatura ambiente. Essas doses são menores do que as usadas no nosso trabalho (UVA de 3360 J cm-2 e UVB de 96 J cm-2, ambas para 600 h de irradiação).

(a) (b)

Esses autores [71] mostraram que fios de cabelo comum asiático, europeu e africano antes da irradiação possuíam cutículas intactas e com contornos uniformes, conforme mostram as imagens de SEM nas Figuras 10(a), (d) e (g). Após a irradiação com UVA ou UVB, as bordas das camadas cuticulares ficaram levantadas, o que é especialmente notável em amostras de cabelo africano irradiadas com UVB (Figura 10(i)). Além disso, são observadas cutículas com contornos irregulares, devido à quebra e remoção de pedaços da cutícula, como pode ser observado nas Figuras 10(b-c), (e-f) e (h-i). Imagens de TEM mostraram camadas cuticulares inteiras no fio não irradiado e após a irradiação com UVA ou UVB aparecem buracos na endocutícula.

Não tratado UVA 48 h UVB 48 h

Figura 10: Imagens de SEM obtidas em (a-c) fios de cabelo asiático, (d-f) fios de cabelo caucasiano e (g-i) fios de cabelo africano. Amostras em (a), (d) e (g) antes da irradiação e em (b), (g) e (h) após 48 h de radiação UVA e em (c), (f) e (i) após 48 h de radiação UVB [71].

Os trabalhos sobre alterações morfológicas causadas por fotodegradação citados nesta revisão bibliográfica não descrevem o número de amostras de fios capilares (estatística) ou quais as regiões do fio que foram analisadas. A maioria

Asiático Caucasiano Africano (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i)

deles utilizou cabelo padrão que é uma mescla de fios de indivíduos diferentes. É um grande desafio distinguir quais são os efeitos específicos da fotodegradação no cabelo analisando áreas diferentes, pois há variações químicas e morfológicas preexistentes no fio capilar. Essas diferenças podem ser encontradas entre os fios de diferentes indivíduos, entre fios com níveis de degradação distintos de um mesmo indivíduo ou até mesmo entre a região perto raiz e a região da ponta em um único fio de cabelo. Dubief [72], por exemplo, mostrou um aumento drástico no teor de ácido cisteico presente nas pontas do fio de cabelo sem tratamento quando comparadas à região perto da raiz. O autor sugere que este efeito tenha sido causado pela exposição do fio à radiação solar, uma vez que o ácido cisteico é um conhecido produto de fotodegradação da cistina. Além disso, Swift e Smith [73] mostraram por AFM que há alterações na superfície do fio ao longo do seu comprimento. As cutículas próximas à região da raiz apresentam contorno mais suave e regular, enquanto, aproximando-se da região da ponta, o contorno das cutículas torna-se menos uniforme. Para superar as diferenças preexistentes e analisar somente os efeitos da fotodegradação, nesse trabalho, a aquisição de imagens de AFM foi realizada na mesma região da amostra antes e depois da irradiação. AFM é uma técnica muito promissora para esta finalidade porque não é invasiva e não requer a preparação prévia da amostra, permitindo que as amostras sejam analisadas no seu estado natural [74, 75].

O presente trabalho tem como objetivo contribuir para a compreensão do que ocorre com a morfologia e a ultraestrutura de cabelos após a radiação solar. Para isso, utilizamos as técnicas de SAXS a fim de investigar as regiões ordenadas e amorfas do cabelo e medidas de propriedades mecânicas, que estão mais relacionadas à parte interna dos fios (córtex). Além disso, foram realizadas análises de danos nas cutículas por imagens de FESEM, TEM e AFM e espectros de ATR- FTIR. A morfologia interna do cabelo grisalho sem tratamento foi também analisada por TEM, para avaliar a existência de diferenças entre fios não pigmentados e pigmentados antes da irradiação. Fios parcialmente brancos e parcialmente pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho, foram analisados para garantir que não houvesse influência do efeito da variabilidade genética nos resultados finais.

2.

Objetivos

O objetivo principal desse trabalho é identificar quais regiões de cabelos pigmentados e não pigmentados são alteradas após processos de irradiação e lavagens. Para essa finalidade, é necessário adequar metodologias de técnicas microscópicas para estudar o fio capilar que é uma amostra complexa.

Os objetivos específicos são:

- Analisar a ultraestrutura das camadas cuticulares dos fios de cabelo e suas modificações provocadas pela irradiação e lavagem, usando TEM e FESEM;

- Investigar as mudanças morfológicas e químicas que ocorrem na superfície dos fios, em especial, nas cutículas, utilizando AFM e ATR-FTIR.

- Analisar as modificações que ocorrem nas regiões ordenadas e amorfas dos fios em função dos processos de fotodegradação, utilizando SAXS, TEM e ensaios de tração.