Alexey Rzheshevsky

Alexey Rzheshevsky

Фотостарение кожи

Кожа

Под фотостарением кожи сегодня понимают процесс старения структур кожи из-за солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения. Кроме этого к повреждению и старению кожи приводит также и воздействие инфракрасного излучения. Важно упомянуть, что преждевременное старение кожи связано с таким атмосферным фактором, как загрязнение воздуха.

Все эти факторы имеют схожие механизмы действия, в результате чего кожа повреждается. В значительной степени они связаны со сложным каскадом реакций внутри кожи, инициируемых первоначальным образованием активных форм кислорода (АФК). В свою очередь они вызывают окислительное повреждение клеточных компонентов, таких как белки, липиды и нуклеиновые кислоты, в результате чего ускоряется процесс старения кожи.

При фотостарении происходит ряд дегенеративных процессов, связанных с окислительным стрессом и воспалением, увеличением активности матриксных металлопротеиназ (ММР), разрушением волокон коллагена. Из-за всего этого кожа становится дряблой и морщинистой. Также из-за аномальной пролиферации меланоцитов на ней возникает пигментация.

Теперь давайте рассмотрим по отдельности каждый из компонентов, участвующих в старении кожи под воздействием внешних атмосферных факторов.

Солнечное излучение

Солнечное УФ-излучение делится на три вида:

  • более длинное UVA (320–400 нм);
  • более короткое UVB (280–320 нм);
  • UVC (100-280 нм).


Среди них почти все UVC и большая часть UVB лучей поглощаются озоновым слоем и не оказывают никакого воздействия на нашу кожу. Длинноволновое же УФ-излучение UVA составляет около 95% солнечного ультрафиолета, достигающего Земли. Поэтому в основном на кожу человека оказывает влияние именно этот вид.

UVA

UVA проникает глубоко в дермальный слой и даже достигает подкожного слоя, где приводит к повреждению ДНК и других биомолекул из-за образования АФК. Это зафиксировано по характерным повреждениям ДНК, таким как образование 8-оксо-дезоксигуанин (8-oxo-dG), который обладает сильными мутагенными свойствами. UVA сегодня считается основной причиной заметных изменений в структуре дермального внеклеточного матрикса кожи при фотостарении.
Известно, что лучи UVA инициируют образование АФК и окислительный стресс при взаимодействии с различными веществами-фотосенсибилизаторами. При этом специфические участки молекул, которые называются УФ-хромофорами, УФ-излучение поглощают. Биологические системы обильно насыщены УФ-хромофорами, их роль играют, например, ДНК и аминокислотные остатки белков. Нуклеотиды тимин и цитозин, поглощая УФ становятся электронно-возбужденными (то есть способными к образованию свободных радикалов). В белках же УФ поглощают аминокислотные остатки тирозин, триптофан и цистин (цистеин с двойной связью), которые также становятся электронно-возбужденными.

UVB

Пять процентов UVB солнечного излучения, достигающего Земли, может проникать в эпидермис, а также в верхние слои дермы, вызывая в них деструктивные изменения. В целом считается, что различные биологические эффекты UVA и UVB связаны с типом биомолекул, на которые они воздействуют.
UVB излучение повреждает ДНК, вызывая образование димеров циклобутан-пиримидина (CPD) и димеров 6-4 пиримидин-пиримидона (6-4PP). Как предполагается, UVA также может образовывать CPD, но в гораздо меньшей степени, чем UVB. Сегодня считается, что CPD — самый главный мутагеном, вырабатывающийся под воздействием солнечного ультрафиолета, а также главный фактор канцерогенеза кожи.
Примечательно, что характерный загар кожи, появляющийся у людей летом, также связан с пиримидиновыми димерами и повреждением ДНК: пиримидиновые димеры активируют меланогенез и потемнение кожи, тем самым обеспечивая защиту кожи от дальнейшего повреждения ультрафиолетом (темная кожа в меньшей степени поглощает УФ-излучение)1.

Последствия УФ-повреждения кожи

В здоровой коже повреждение ДНК, вызывает активацию белка p53, индуцирующего апоптоз кератиноцитов в эпидермисе. Это приводит к появлению хорошо известному почти всем «солнечного ожога», накоплению погибших клеток в эпидермисе и воспалительным процессам. Продолжительное же солнечное облучение может подавить опосредованный p53 процесс апоптоза, что приведет к накоплению поврежденных клеток и инициированию мутагенеза и фотоканцерогенеза2.

UVB стимулировать выработку кератиноцитами большого количества интерлейкина-1α (IL-1α), который инициирует секрецию гранулоцитарно-макрофагального колониестимулирующего фактора (GM-CSF). В свою очередь обе эти молекулы активируют фибробласты к производству неприлизина. Неприлизин же расщепляет и разрывает эластичную волокнистую сеть, состоящую из эластических и коллагеновых волокон, что способствует образованию морщин на коже. Длительное воздействие UVA-излучения также активирует дермальные фибробласты, стимулирует экспрессию ММР-1 и секрецию провоспалительного IL-6, что вприводит к дряблости кожи3.

Как мы уже говорили, UVA индуцируют образование АФК, поглощаясь в коже веществами-фотосенсибилизаторами. В результате этого образуются электрон-возбуждённые хромофоры, которые реагируют с выделением молекулярного кислорода. При этом генерируется супероксидный радикал и синглетный кислород — высокореактивные формы кислорода. Они, в свою очередь, стимулируют образование других АФК, повреждающие клеточные компоненты (клеточные мембраны, белки, липиды, ядерную и митохондриальную ДНК).Таким образом, в клетке начинается цепная реакция окислительного стресса. Механизмам повреждения кожи в результате окислительного стресса у нас посвящена целая глава.

Чтобы противостоять этому «удару» АФК, в коже имеется защитная антиоксидантная система. Она состоит из:

  • неферментативные антиоксиданты: водорастворимые (витамин С, глутатион, липоевая кислота, мочевая кислота и т. д.) и жирорастворимые (витамин Е и другие формы токоферола, убихинон, каротиноиды и т.д.);
  • ферментативные антиоксиданты. К ним относятся супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и глутатионтрансфераза.

С возрастом и под влиянием внешних негативных факторов количество антиоксидантов становится ниже, что делает кожу более уязвимой к повреждениям.

АФК усиливают активность белка-активатора фактора транскрипции-1 (AP-1), за счет чего увеличивается выработка матриксных металлопротеиназ (ММР-1 и -12), ферментов, расщепляющих коллаген. MMP-12 может расщеплять также и эластин, что приводит к фрагментации эластических волокон. Повреждение коллагена, эластина и гликозаминогликанов за счет АФК способствует появлению фенотипа фотостарения и вызывает солнечный эластоз. Воздействие солнечного ультрафиолета также снижает экспрессию лизилоксидазы (LOX) и лизилоксидазоподобных ферментов (LOXL), которые исключительно важны для образования поперечных связей между вновь синтезированными эластичными волокнами4.

Кроме того, AP-1 подавляет выработку коллагена в дерме за счет ингибирования активности трансформирующего фактора роста-бета (TGF-ẞ) и снижения экспрессии генов проколлагена типа I и III.

Таким образом, хроническое воздействие УФ-излучения приводит к потере кожного коллагена двумя путями:

  • из-за его деградации;
  • из-за снижения уровня его производства.

Кроме окислительного стресса, солнечное УФ-излучение запускает каскад воспалительных реакций в клетках кожи и других типах клеток, таких как моноциты, макрофаги, лимфоциты и эндотелиальные клетки сосудов. Ключевым провоспалительным фактором в этом процессе выступает ядерный фактор NF-kB. Активация его сигнального пути под воздействием УФ-излучения стимулирует эпидермальные кератиноциты к высвобождению первичных провоспалительных цитокинов: фактора некроза опухоли-альфа (TNF-a) и интерлейкина-1 (IL-1). Через некоторое время высвобождаются и другие, вторичные воспалительные цитокины IL-3, IL-6, IL-8, IL-7 и IL-10. Воздействие УФ-излучения также активирует ферментные системы циклооксигеназы и липоксигеназы, усиливая выработку провоспалительных молекул простагландинов и лейкотриенов5 5.

Инфракрасное излучение

Ещё один фактор, связанный с Солнцем и старением кожи – инфракрасное (ИК) излучение. Оно состоит из лучей с длиной волны от 800 нм до 1 мм и подразделяется на три области:

  • ИК-А (700 — 1400 нм);
  • ИК-В (1400 — 3000 нм);
  • ИК-С (3000 нм — 1 мм).


Коротковолновый вид ИК, ИК-А, вносит самый значительный вклад во внешнее старение кожи. Как и ультрафиолет, ИК-А нарушает коллагеновое равновесие внеклеточного матрикса дермы сразу двумя способами:

  • за счет увеличения экспрессии ферментов, разлагающих коллаген (MMP);
  • за счет снижения скорости синтеза нового коллагена.


При этом в обоих механизмах ключевую роль играет повышенная генерация АФК6.

Примечательно, что низкий уровень ИК-А оказывает обратное, стимулирующее действие на выработку коллагена за счет процесса, известного как фотобиомодуляция. Предполагается, что именно с этим связана польза утреннего загара, когда солнечный свет испускает небольшое количество ИК-А, который действует на кожу защитным образом7 8.

Исследования также показали, что ИК-А вызывает значительное снижение содержания антиоксидантов в коже человека и, соответственно, на развитие окислительного стресса под воздействием этого излучения9.

Кроме этого, ИК-А влияет на экспрессию множества генов в первичных фибробластах кожи человека. Ученые выявила 599 транскриптов, так или иначе регулируемых ИК-А. При этом индуцированный ИК-А транскриптом отличался от транскриптома, получившегося под воздействием ультрафиолета. ИК-чувствительные гены разделяют на следующие категории:

  • гены белковых компонентов внеклеточного матрикса;
  • гены-регуляторы гомеостаза кальция;
  • гены, участвующие в передаче сигналов стресса и апоптоза;
  • гены белков из сигнальных путей ERK1/2, p38, JNK, PI3K/AKT, STAT3, и IL-610.


Интересно, что экспериментально выявлены антиоксиданты (такие, как N-ацетилцистеин и генистеин), защищающие кожу от вредных эффектов, связанных с длительным воздействием солнечных лучей и ИК-А11.

Озон

Озон — ещё один атмосферный фактор, который может оказывать негативное влияние на кожу и ускорять её старение. Кожа человека, верхний слой эпидермиса, действует как барьер между телом и окружающей средой. Также она — основная мишень для токсичных загрязнителей воздуха. Например, для озона, который, хотя и кажется многим полезным веществом, на самом деле такой далеко не всегда.

Озон — это трехатомное соединение кислорода, О3. Он образуется после воздействия солнечного излучения на молекулярный кислород, О2. Большая часть озона в атмосфере находится выше 20 км от Земли, в слое под названием «стратосфера». Почти все, наверное, слышали про озоновый слой — это он и есть. Озоновый слой в стратосфере выполняет защитную функцию, поглощая самые агрессивные типы солнечного ультрафиолета, опасные для живых организмов, UV-С и UV-В. Предполагается, его возникновение около 1 миллиарда лет назад сыграло одну из ключевых ролей в развитии многоклеточных организмов, позволив нашим далеким предкам выйти из океана на сушу.

Кроме стратосферы, где озон не соприкасается с человеком, небольшое его количество находится и в самом нижнем слое атмосферы, тропосфере. Среднее количество озона в ней обычно в норме составляет менее 0,08 частей на миллион. Это намного ниже, чем в стратосфере (10 частей на миллион). Однако совсем другая картина наблюдается в крупных мегаполисах, таких, как Москва, Нью-Йорк или Мехико. Там концентрации озона могут достигать очень высоких и токсичных концентраций. Это происходит это из-за интенсивного использования автотранспорта и хозяйственной деятельности человека (сжигания углеводородов и химических выбросов предприятий). Антропогенные выбросы, которые состоят из оксида азота, метана, окиси углерода и соединений серы, вызывают постепенное увеличение концентрации озона, иногда превышающее норму в 10 раз (до 0,8 частей на миллион и более).

Озон — мощный окислитель, и это его свойство сегодня находит применение в очищении воды и помещений от патогенных организмов. Но в крупных городах озон оказывает пагубное воздействие на кожу людей, инициируя в ней развитие окислительного стресса. Показано, что воздействие высоких уровней атмосферного озона на кожу вызывает истощение пула антиоксидантов, а также окисление липидов и белков в ее клетках. Это, в свою очередь, влечет за собой образование белковых аддуктов (4-гидроксиноненаля) и перекисное окисление липидов. Все это ведет формированием конечных продуктов гликирования, пагубному влиянию на кожу которых в этой книге посвящена отдельная глава12 13.

Воздействие озона на кожу также приводит к индукции активности синтазы оксида азота (iNOS) и образования оксида азота. Он, в свою очередь, обладает выраженными прооксидантными свойствами. NO и его производные могут вызывать перекисное окисление фосфолипидов и окисление тиольных групп белков митохондриальной мембраны, приводя к высвобождению в цитозоль стимулирующих апоптоз факторов. Кроме этого, озон повышает активность провоспалительного фактора NF-kB, с дальнейшим усилением воспалительных процессов в коже14 15.

Таким образом, озон, как и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, вызывает окислительные процессы и нарушение структуры матрикса в коже, усугубляя ее старение и ухудшая внешний вид.

Alexey Rzheshevsky

Alexey Rzheshevsky

Читайте также

SKIN REASSEMBLING

Восстановление структурной организации кожи

Подробнее

Напишите нам

  1. Pfeifer G. P. (2020). Mechanisms of UV-induced mutations and skin cancer. Genome instability & disease, 1(3), 99–113. https://doi.org/10.1007/s42764-020-00009-8[↩]
  2. Pinnell S. R. (2003). Cutaneous photodamage, oxidative stress, and topical antioxidant protection. Journal of the American Academy of Dermatology, 48(1), 1–22. https://doi.org/10.1067/mjd.2003.16[↩]
  3. Imokawa, G., Nakajima, H., & Ishida, K. (2015). Biological mechanisms underlying the ultraviolet radiation-induced formation of skin wrinkling and sagging II: over-expression of neprilysin plays an essential role. International journal of molecular sciences, 16(4), 7776–7795. https://doi.org/10.3390/ijms16047776[↩]
  4. Tuieng, R. J., Cartmell, S. H., Kirwan, C. C., & Sherratt, M. J. (2021). The Effects of Ionising and Non-Ionising Electromagnetic Radiation on Extracellular Matrix Proteins. Cells, 10(11), 3041. https://doi.org/10.3390/cells10113041[↩]
  5. Fisher, G. J., Talwar, H. S., Lin, J., & Voorhees, J. J. (1999). Molecular mechanisms of photoaging in human skin in vivo and their prevention by all-trans retinoic acid. Photochemistry and photobiology, 69(2), 154–157. https://doi.org/10.1562/0031-8655(1999)069<0154:mmopih>2.3.co;2[↩][↩]
  6. Zastrow, L., Groth, N., Klein, F., Kockott, D., Lademann, J., Renneberg, R., & Ferrero, L. (2009). The missing link–light-induced (280-1,600 nm) free radical formation in human skin. Skin pharmacology and physiology, 22(1), 31–44. https://doi.org/10.1159/000188083[↩]
  7. McDaniel, D. H., Weiss, R. A., Geronemus, R. G., Mazur, C., Wilson, S., & Weiss, M. A. (2010). Varying ratios of wavelengths in dual wavelength LED photomodulation alters gene expression profiles in human skin fibroblasts. Lasers in surgery and medicine, 42(6), 540–545. https://doi.org/10.1002/lsm.20947[↩]
  8. Barolet, D., Christiaens, F., & Hamblin, M. R. (2016). Infrared and skin: Friend or foe. Journal of photochemistry and photobiology. B, Biology, 155, 78–85. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2015.12.014[↩]
  9. Schroeder, P., Pohl, C., Calles, C., Marks, C., Wild, S., & Krutmann, J. (2007). Cellular response to infrared radiation involves retrograde mitochondrial signaling. Free radical biology & medicine, 43(1), 128–135. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2007.04.002[↩]
  10. Calles, C., Schneider, M., Macaluso, F., Benesova, T., Krutmann, J., & Schroeder, P. (2010). Infrared A radiation influences the skin fibroblast transcriptome: mechanisms and consequences. The Journal of investigative dermatology, 130(6), 1524–1536. https://doi.org/10.1038/jid.2010.9[↩]
  11. Chen, Z., Seo, J. Y., Kim, Y. K., Lee, S. R., Kim, K. H., Cho, K. H., Eun, H. C., & Chung, J. H. (2005). Heat modulation of tropoelastin, fibrillin-1, and matrix metalloproteinase-12 in human skin in vivo. The Journal of investigative dermatology, 124(1), 70–78. https://doi.org/10.1111/j.0022-202X.2004.23550.x[↩]
  12. Packer, L., & Valacchi, G. (2002). Antioxidants and the response of skin to oxidative stress: vitamin E as a key indicator. Skin pharmacology and applied skin physiology, 15(5), 282–290. https://doi.org/10.1159/000064531[↩]
  13. Valacchi, G., Pagnin, E., Corbacho, A. M., Olano, E., Davis, P. A., Packer, L., & Cross, C. E. (2004). In vivo ozone exposure induces antioxidant/stress-related responses in murine lung and skin. Free radical biology & medicine, 36(5), 673–681. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2003.12.005[↩]
  14. Valacchi, G., van der Vliet, A., Schock, B. C., Okamoto, T., Obermuller-Jevic, U., Cross, C. E., & Packer, L. (2002). Ozone exposure activates oxidative stress responses in murine skin. Toxicology, 179(1-2), 163–170. https://doi.org/10.1016/s0300-483x(02)00240-8[↩]
  15. Doche, C., Dufour, G., Foret, G., Eremenko, M., Cuesta, J., Beekmann, M., & Kalabokas, P. (2014). Summertime tropospheric-ozone variability over the Mediterranean basin observed with IASI. Atmospheric Chemistry and Physics, 14(19), 10589-10600. https://doi.org/10.5194/acp-14-10589-2014[↩]