The skin is a highly complex organ with multiple functions, among which we focus on two: its enzymatic function and its role as a barrier. The stratum corneum acts as the primary barrier, protecting the organism from environmental threats, preventing water loss, and regulating permeability. Its homeostasis is maintained by an extensive enzymatic system. The skin is constantly exposed to both external and internal insults, which may lead to disorders and pathological changes often induced by oxidative stress. This state is characterized by an imbalance between the production of free radicals, primarily reactive oxygen species (ROS), and the skin’s ability to counteract or detoxify their harmful effects through neutralization by antioxidants. The antioxidant defence system in cutaneous tissues is closely interlinked and relies on both low molecular weight compounds, such as glutathione, vitamins, and urea, as well as antioxidant enzymes.

Catalases are a crucial group of proteins for neutralizing ROS, with their primary role being the decomposition of hydrogen peroxide into harmless water and molecular oxygen. Hydrogen peroxide is a harmful byproduct of various biological processes, including cellular respiration and immune responses, and is thus ubiquitous. In this thesis, we investigated the antioxidant function of catalase by advancing the methodology for measuring catalase activity, building on standard techniques. We used one electrochemical method, relying on chronoamperometry with an oxygen electrode, and one spectrophotometric method, as presented in Paper I. Furthermore, in Paper II, we conducted a comprehensive study examining the effect of UVB light on the catalase activity and its structural properties. This study also investigates the effect of UVB radiation on the molecular organization of protein and lipid components of the SC. Furthermore, Paper III presents a fast and accurate chronoamperometric technique for detecting catalase activity in complex biological samples. Enzyme activity was measured in skin-related samples, including keratinocytes, stratum corneum with varying melanin levels, and defatted algae biomass (DAB) from

Phaeodactylum tricornutum to evaluate this material as a potential redox- balancing agent that supports the skin's natural antioxidant barrier.

Paper IV focuses on proteases, specifically collagenase and elastase, whose activity is crucial for the proper functioning of the dermis. These enzymes play a key role in the reorganization of the extracellular matrix (ECM), a complex network of macromolecules essential for maintaining tissue architecture, mediating cellular functions, and facilitating cell communication. Elevated protease activity has been linked to oxidative stress and is detrimental to the dermis, which is primarily composed of ECM. The upregulation of protease activity is also identified as a contributing factor to intrinsic skin aging and photoaging. In Paper IV, the aim was to develop substrate models of the two key structural ECM proteins, collagen and elastin, and to investigate the proteolytic activity of collagenase and elastase in a realistic manner. To achieve this, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring and local surface plasmon resonance were employed to obtain complementary information on the rates of ECM proteins hydrolysis and changes in their viscoelastic properties.

This research was conducted as part of the ComBine project, which involves training industrial doctoral students through collaborations between Malmö University and companies from the biomedical sector. Therefore, this thesis also includes unpublished results from research conducted in collaboration with Simris Group AB, aiming at evaluating defatted algae biomass as a potential source of topically applied bioactive compounds that contribute to skin protection and regeneration.

Huden är ett komplext organ med flera funktioner som är viktiga för vår kroppshälsotillstånd. För det första fungerar det yttersta hudlagret, stratum corneum,som en viktig barriär som förhindrar vattenförlust och skyddar mot skadliga kemikalier. Eftersom huden utgör ett gränsskikt mellan vår levande kropp och den relativt ogästvänliga yttre miljön, utsätts huden ständigt för både yttre och inre påfrestningar, vilket kan leda till störningar och patologiska förändringar. En vanlig bidragande faktor till hudåkommor är oxidativ stress - ett tillstånd som kännetecknas av en obalans mellan produktionen av fria radikaler, främst reaktivasyreföreningar (ROS). Hudens förmåga att motverka deras skadliga effekter upprätthålls genom neutralisering med antioxidanter. Det antioxidativaförsvarssystemet i huden förlitar sig på både lågmolekylära föreningar, tillexempel C-vitamin, samt antioxidativa enzymer. Enzymer är en typ av specialiserade proteiner som påskyndar kemiskareaktioner i kroppen utan att själva förbrukas. Antioxidativa enzymer fungerar alltså genom att skydda cellerna mot skador orsakade av fria radikaler ochreaktiva syreföreningar (ROS) och utgör ett naturligt försvarssystem mot oxidativstress. Ett av de viktigaste proteinerna för att neutralisera ROS är katalas, vars huvudsakliga roll är att bryta ner väteperoxid till ofarligt vatten och syrgas. Väteperoxid är en biprodukt av olika biologiska processer och är därför vanligt förekommande i kroppen. Vid vissa sjukdomstillstånd kan dock höga koncentrationer uppstå som kan vara skadliga för kroppen.

I denna avhandling har vi undersökt katalas antioxidativa funktion i hudensolika delar samt utvecklat och förbättrat metoder för att möjliggöra detta. Isynnerhet har vi förbättrat en elektrokemisk mätmetod genom att göra den merkompatibel med komplexa biologiska prover som innehåller katalas. I arbetet som presenteras i manuskript I visar vi att metoden är känsligare jämfört med en standard spektrofotometrisk metod samt vilka experimentella förhållanden som krävs för att tillhandahålla konsekventa mätvärden av katalasaktivitet med antingen spektrofotometri eller den elektrokemiskamätmetoden. Enhetliga resultat är viktiga för att möjliggöra reproducerbara ochtillförlitliga undersökningar av katalasaktivitet, erhållna i olika forskningslabb. Effekten av ultraviolett strålning (UVB) på hudens hälsa kan bidra till för tidigtåldrande av huden, försvagning av hudens barriärfunktion samt utveckling avhudsjukdomar. Därför är det viktigt att förstå mekanismerna bakom UVBinduceradehudskador. Manuskript II belyser konsekvenserna av UVBexponeringpå funktionen av naturligt katalas som finns i hudens barriär samteffekterna på de molekylära egenskaperna hos vävnaden som omger enzymet. Resultaten visar en gradvis minskning av katalasaktiviteten och indikerar deUVB-doser där antioxidativa enzymer i huden kan inaktiveras och därmedkompromettera hudens försvarsmekanismer mot oxidativ stress. Resultaten visaren slående asymmetri mellan hudbarriärens strukturella egenskaper och dessantioxidativa svar. Med andra ord, de strukturella och molekylära egenskaperna hos hudbarriären har en anmärkningsvärd motståndskraft mot extrem UVBexponering. Detta står i kontrast till den mer känsliga antioxidativa funktionenhos katalas. I manuskript III påvisas att den utvecklade elektrokemiska metoden för attmäta katalasaktivitet kan användas i en rad olika komplexa biologiska prover såsom hudens barriär (stratum corneum) och hudceller från epidermis(keratinocyter). Utöver det har vi också studerat om restprodukter från alger(Phaeodactylum tricornutum) uppvisar katalasaktivitet, vilket potentiellt kan utgöra en naturlig källa för hudfrämjande tillsatser i hudkrämer, till exempelsubstanser som stödjer hudens naturliga antioxidativa barriär. Manuskript IV fokuserar på proteaser, som är en typ av enzymer som bryterner proteiner genom att klyva peptidbindningar. De spelar en nyckelroll iomorganisationen av den extracellulära matrisen som utgör ett komplext nätverkav makromolekyler som är avgörande för att upprätthålla strukturen i hudensvävnad, i synnerhet i det mellersta lagret av huden (dermis). Dermis är beläget mellan epidermis (det yttersta lagret) och hypodermis (det innersta lagret) och innehåller kollagen och elastin, som bidrar till hudens slitstyrka och elasticitet. Förhöjd aktivitet av proteaser kan alltså vara skadlig för dermis och utgör enbidragande faktor till hudens åldrande. I Manuskript IV var målet att utvecklaenkla modeller av kollagen och elastin, liknande den extracellulära matrisen, föratt undersöka hur matrisen påverkas av proteolytisk aktivitet. Proteaserns somstuderades var kollagenas och elastas. För att uppnå detta användes ytkemiskamätmetoder (QCM-D, LSPR och AFM) som med fördel kan studera hur extremt tunna proteinfilmer av kollagen och elastin påverkas av nedbrytning av proteaser.Resultaten visar att kollagen och elastin bildar biologiska tunna filmer med olika egenskaper; kollagen bildar lite tjockare och mjukare filmer medan elastin bildartunna och rigida filmer. Dessutom påverkas kollagen- och elastin-matrisernaolika beroende på typ av proteas som matrisen exponeras för, vilket tyder påspecifika interaktioner mellan enzymerna och proteinfilmerna. Dock pekarresultaten även på ospecifik proteas nedbrytning av collagen och elastas. Resultaten visar även hur nedbrytningsprocessen kan förhindras genom attavaktivera proteaser. bidra till ökad förståelse för olika sjukdomsförlopp. Sammanfattningsvis belyser studien att de olika ytkemiska mätmetoderna ger enmer komplett bild av nedbrytningsprocessen. Metoderna bidrar även med kinetiskinformation (hastigheten) om nedbrytningsförloppet, vilket öppnar upp för vidarestudier för sjukdomsdiagnostik och ökad förståelse av olika hudsjukdomar.Forskningen i denna avhandling genomfördes inom projektet ”ComBine - the industrial graduate school of Biofilms and Biointerfaces” med finansiering från Kunskapsstiftelsen. Ett övergripande mål med ComBine är att utbilda forskare med tvärvetenskaplig kunskap inom biofilmer och biogränssnitt. Därav inkluderar avhandlingen också opublicerade resultat från forskning somgenomförts i samarbete med Simris Group AB, med målet att utvärderarestprodukter från alger som en potentiell källa för bioaktiva föreningar som kanfrämja hudens hälsotillstånd.