background image

ACTIVITY OF UREA 

Being a by-product of proteins and other nitrogen compounds metabolism, urea naturally occurs in 
human organisms. It is mainly produced in the liver and excreted with urine and sweat. Urea plays 
an important role in a water soluble fraction of the epidermal horny layer, where it is present in 
intercellular spaces and surrounds keratin fibers in keratinocytes. 

A large part of epidermal urea derives from sweat. Some amounts are liberated during keratinization
process (in the course of protein restructuring), while trace amounts penetrate the epidermis 
together with lymph . Epidermal concentration of urea fluctuates in different parts of the body and it
depends on the gender, age, climatic conditions, ambient temperature and yearly seasons. Its content
increases with physical strain and due to a protein-rich diet . Urea is an important component of the 
Natural Moisturizing Factor (NMF) that is responsible for appropriate moisturization of the stratum 
corneum. It is assumed that urea amounts to 1% of the epidermis mass (7% w/w of the NMF) and it 
is the main constituent responsible for binding water in the stratum corneum. Clinical symptoms of 
skin dryness are usually accompanied by a reduced urea content in the epidermis
Urea has been used for a long time in cosmetology and pharmacy due to its well proven activity 
related to moisturizing, keratolytic, proteolytic, antiproliferative, antipruritic and disinfecting 
properties. It also helps maintain therapeutic activity of other pharmaceutical preparations . Physical
and chemical properties of urea From the chemical point of view, urea (carbamide) is a diamide of 
carbonic acid. It is a white, colourless and odourless compound with molecular weight of 60,6 and 
the melting point of 132.7°C. At room temperature, it is in the form of crystalline powder, soluble in
water and ethanol, but insoluble in lipids . When dissolved in water, its 10% solution has the pH of 
7.2. Urea undergoes hydrolysis in aqueous solutions as well as in emulsions to form ammonia and 
carbon dioxide as the end-products. Elevated temperatures accelerate this reaction. Hydrolysis 
causes some changes in the pH of urea solutions and destabilizes emulsions.  e  cosmetics industry 

brings down the pH value by adding lactic acid, salicylic acid or 2-aminoethanesulphonic acid 
(frequently referred to as taurine) to consumer products.  ere are also known more stable urea 

derivatives. One of them is hydroxyethyl urea (INCI: Hydroxyethyl Urea) . It is quite easy to 
introduce urea into cosmetic powders and emulsions as well as to creams and ointments that contain
water, paraffin and fatty acids.  erefore, there is a variety of cosmetic and pharmaceutical 

formulations having this compound in the composition

NMF - the natural moisturizing factor  e  NMF is an intracellular component of the stratum 

corneum that secures adequate moisturization of the epidermis. It is a complex mixture containing 
hydrophilic constituents of low molecular weight such as amino acids, pyrrolidone carboxylic acid 
(PCA), urea, lactates, creatinine, glucosamine, and ammonia as well as sodium, potassium, calcium,
magnesium, chloride and other ions. Similarly to the majority of NMF constituents, urea is 
produced from filaggrin, a basic protein formed in the epidermal stratum granulosum. Filaggrin has 
the molecular weight of about 37 kD and it is rich in histidine. Its key function consists in binding 
keratin fibres. Profilaggrin, the main component of keratohyalin granules, is the filaggrin precursor. 
It is a protein of molecular weight above 400 kD, composed of 10 – 12 filaggrin monomers. When 
cells migrate to the horny layer, profilaggrin undergoes decomposition, initially to filaggrin 
oligomers undergoing further disintegration to filaggrin monomers   e  problem of skin dryness 

Properly functioning skin acts as a physiologic barrier that separats a living organism from 
surrounding environment and exerts its influence on maintaining homeostasis of internal organs. 

background image

ese functions require adequate skin hydration and depend on the actual state of the outer hydro-


lipid mantle [5]. Water plays an important role in the skin, since both intracellular and intercellular 
biochemical processes take place in aqueous environment [18]. Moreover, it is indispensable to 
fibrous proteins structure and functioning, enzyme activity, keratinocyte differentiation as well as 
epidermis exfoliation and regeneration. About 50 – 70% of water is stored in the dermis and 
approximately 10 – 30% is found in the epidermis.  e  epidermal stratum corneum retains 10% of 

water. Such a gradient exerts the influence on important functions of corneocytes (e.g. filaggrin 
proteolysis) and secretion of lipids present in stratum corneum. On the other hand, it constrains 
migration of water to the skin surface by means of a natural process, known as Transepidermal 
Water Loss (TEWL). TEWL is a principal parameter that is used to evaluate the epidermal barrier in
a non-invasive way and with relatively high precision.  e  term “skin dryness” refers to skin 

pathology manifested by excessive exfoliation of the epidermis, sensation of skin roughness as well 
as cracking, redness, burning/stinging and itching.  e  dry skin is particularly suscep- tible to 

influence of physical stimuli (e.g. wind, frost, UV radiation), chemical substances (water, 
detergents, preservatives, colorants, fragrances) and biological agents (microorganisms). Skin 
dryness is o en accompanied by intolerance of commonly occurring factors. Such a state is known 

as skin hypersensitivity.  e  dry skin gives frequently rise to mechanical injuries (as a result of 

scratching) leading to secondary bacterial infections. Properly functioning skin acts as a physiologic
barrier that separates a living organism from surrounding environment and exerts its influence on 
maintaining homeostasis of internal organs.  ese functions require adequate skin hydration and 

depend on the actual state of the outer hydro-lipid mantle [5]. Water plays an important role in the 
skin, since both intracellular and intercellular biochemical processes take place in aqueous 
environment [18]. Moreover, it is indispensable to fibrous proteins structure and functioning, 
enzyme activity, keratinocyte differentiation as well as epidermis exfoliation and regeneration [5, 
6]. On one hand, skin dryness could be predominantly related to restricted degradation of 
corneodesmosomes, leading to their retention in the outer layer of the stratum corneum. On the 
other hand however, excessive loss of water usually results from impairment of one or both 
components responsible for epidermal barrier parameters, i.e. NMF and lipid coating. In fact, there 
is a number of factors contributing to skin dryness.  e y have been classified as intraneous and 

extraneous causes giving rise to above mentioned skin disorders. Intraneous ones encompasses the 
following: a) genetic defects leading to disordered keratinization and abnormally functioning 
epidermis (atopic dermatitis, psoriasis, ichthyosis), b) disturbed secretion of sweat and sebum (dry 
dandruff), c) some diseases (diabetes, hypothyreosis, some tumors), d) body dehydration (chronic 
diarrhea, vomiting, taking diuretic pharmaceuticals), e) endogenous skin ageing. A group of 
exogenous causes includes the following factors: a) climatic factors (extremely low or high ambient
temperature, wind, UV radiation), b) environmental and occupational factors (air conditioning, 
exposure to toxic or allergenic substances), c) skin care treatments (taking a hot bath, the use of 
highly degreasing cleansing products, application of steroids, tars and retinoids), d) vitamin 
deficiency (the vitamin A in particular).  e  most efficient way to treat skin dryness is the use of 

traditional moisturizing preparations (containing occlusive agents or humectants). Modern methods 
are based on supplementation of barrier lipids in the form of direct application or increased 
intraneous lipogenesis  Dry skin pathogenesis in selected dermatoses ATOPIC DERMATITIS (AD) 

is disease is manifested by different intensity of skin dryness and sensitivity. It is believed that 


contributing factors include the deficiency of free fatty acids (predominantly gamma-linolenic acid),
abnormal expression of sphingomyelinase and some disturbances in epidermal lipid metabolism. 

ese consequently lower the content of ceramides in the horny layer (mainly the ceramide 1 and 


ceramide 3) and give rise to epidermal barrier disorders – the barrier becomes more sensitive to 
environmental factors. 

PSORIASIS It is a chronic skin disease, manifesting itself by scaly eruption in the form of red-
brown or pinkish, flat patches covered with silvery or silver-grey scales. Characteristic patches of 
different size have well-marked borders. Numerous studies on psoriasis have confirmed 

background image

considerably reduced content of free fatty acids in the scales, inhibited ceramide 1 production and 
extensive loss of water through the epidermis.  e  skin dryness is additionally intensified by 

keratolytic, antimitotic and reductive pharmaceuticals as well as by phototherapy. ICHTHYOSIS It 
is a genodermatosis (related to a genetic defect) giving rise to excessive and abnormal keratinization
of the epidermis. Patches of dry skin could be developed on the whole surface of the body. 
Eventually, they only appear on lower or upper extremities. Several different types of ichthyosis 
have common features – abnormal keratinization, callous cells in the epidermal stratum corneum, 
and disordered biosynthesis of various epidermal lipids. Patients suffering from ichthyosis should 
take a bath in salted water (with table salt added) 

and apply exfoliating ointments that contain salicylic acid and urea. SKIN INFLAMMATION 
Several conditions of skin inflammation are related to the presence of abnormal cells in the 
epidermis, excessive production of inflammatory mediators and development of inflammation 
within the skin. Due to hydrolipid coat impairment, accelerated water loss, and penetration of the 
epidermis by irritating agents, the skin becomes dry and is prone to excessive keratinization. 
FOLLICULAR KERATOSIS Heightened keratinization of hair follicle openings results in dry and 
rough skin with callous papules having white, yellowish or reddish colour. It has been postulated 
that vitamin A deficiency, lack of sunshine or hereditary predisposition are the main causes of 
enhanced keratinization . Moisturizing activity of urea Applied topically, urea easily penetrates into 
the epidermal stratum corneum increasing water content in the intercellular cement and keratinous 
structures of corneocytes. Urea exerts its impact on filaggrin metabolism by breaking down 
hydrogen bonds between protein filaments. It also decreases the ability of phospholipids and 
cholesterol sulphate to form strong ionic bonds.  erefore, urea enlarges hydrophobic spaces in the 

epidermal stratum corneum and makes intercellular connections to become loose  Such effects lead 
to improvement of lipid organization, tightening the epidermal barrier and a decrease in the 
transepidermal water loss . Some studies have shown that biological activity of urea depends on 
both its concentration and the type of a formulation vehicle. Researchers conducted several 
experiments, making use of colorimetric methods and radioisotope testing (tritium-labeled water) as
well as by evaluating electric potential of the epidermis, and studying the ultrastructure of the 
epidermal surface . If urea is present in O/W emulsions (with water as the external phase), it acts 
quicker, but for a shorter time (up to tens of minutes). On the contrary, longer lasting activity (up to 
several hours) has been observed in W/O emulsions . Nevertheless, the best penetrating results have
been obtained when urea was present in the water phase of multiple emulsions W/O/W.