Елени Папаконстантину

1 Катедра по фармакология; Медицински факултет; Университет Аристотел в Солун; Солун, Гърция

ключова

Майкъл Рот

2 Изследване на белодробни клетки-пневмология; Университетска болница Базел; Базел, Швейцария

Георги Каракиулакис

1 Катедра по фармакология; Медицински факултет; Университет Аристотел в Солун; Солун, Гърция

Резюме

Стареенето на кожата е многофакторен процес, състоящ се от два различни и независими механизма: вътрешно и външно стареене. Младостта на кожата запазва своя тургор, еластичност и гъвкавост, наред с други, благодарение на високото си съдържание на вода. Ежедневните външни наранявания, в допълнение към нормалния процес на стареене, причиняват загуба на влага. Ключовата молекула, участваща във влагата на кожата, е хиалуроновата киселина (HA), която има уникален капацитет да задържа вода. Съществуват множество места за контрол на синтеза, отлагането, свързването и разграждането на клетъчни и белтъци, отразяващи сложността на метаболизма на НА. Ензимите, които синтезират или катаболизират HA и HA рецепторите, отговорни за много от функциите на HA, са всички мултигенни семейства с различни модели на тъканна експресия. Разбирането на метаболизма на HA в различните слоеве на кожата и взаимодействията на HA с други компоненти на кожата ще улесни способността за модулиране на влагата на кожата по рационален начин.

Стареене на кожата

Стареенето на човешката кожа е сложен биологичен процес, който все още не е напълно изяснен. Това е резултат от два биологично независими процеса. Първият е присъщо или вродено стареене, непредотвратим процес, който засяга кожата по същия модел, както засяга всички вътрешни органи. Второто е външното стареене, което е резултат от излагане на външни фактори, главно ултравиолетово (UV) облъчване, което също се нарича фотостареене. 1 Вътрешното стареене на кожата е повлияно от хормонални промени, които настъпват с възрастта, 2 като постепенно намалено производство на полови хормони от средата на двадесетте години и намаляване на естрогените и прогестерона, свързани с менопаузата. Добре установено е, че дефицитът на естрогени и андрогени води до разграждане на колагена, сухота, загуба на еластичност, епидермална атрофия и набръчкване на кожата. 3

Въпреки че вътрешното и външното стареене на кожата са отличителни процеси, те споделят прилики в молекулярните механизми. Например, реактивните кислородни видове (ROS), произтичащи от окислителния метаболизъм на клетките, играят основна роля и в двата процеса. 4 ROS при външно или присъщо стареене на кожата индуцират транскрипционния фактор c-Jun чрез митоген-активирани протеинкинази (MAPK), което води до свръхекспресия на матрична металопротеиназа (MMP) -1, MMP-3 и MMP-9 и предотвратяване на експресията на проколаген-1. 5 Следователно, повишените нива на разграден колаген и намаленият синтез на колаген са патологии, срещащи се както в присъщата, така и в застарялата кожа.

Стареенето на кожата също е свързано със загуба на влага в кожата. Ключовата молекула, участваща във влагата на кожата, е хиалуронан или хиалуронова киселина (HA), гликозаминогликан (GAG) с уникален капацитет да свързва и задържа водни молекули. 6 HA принадлежи към молекулите на извънклетъчния матрикс (ECM). През последните десетилетия съставните части на кожата бяха добре характеризирани. В началото повечето проучвания са фокусирани върху клетките, които включват кожните слоеве, като епидермиса, дермата и подлежащите подкожи. Напоследък се оценява, че молекулите на ECM, които се намират между клетките, освен че осигуряват конструктивна рамка, оказват значително въздействие върху клетъчната функция. Тези ECM молекули, въпреки че изглеждат аморфни чрез светлинна микроскопия, образуват силно организирана структура, състояща се главно от GAG, протеогликани, растежни фактори и структурни протеини като колагени. И все пак преобладаващият компонент на кожния ECM е HA.

Последните прегледи описват участието на HA по отношение на нейната роля в ангиогенезата, 7 реактивни кислородни вида, 8 хондроцити, 9 рак, 10, 11 увреждане на белия дроб, 12, 13 имунна регулация 14, 15 и кожата. 16 Настоящият преглед представя накратко последните познания в биологията и функциите на HA и се фокусира върху участието му в стареенето на кожата.

Хиалуронова киселина

Химия и физикохимични свойства

HA е несулфатиран GAG и се състои от повтарящи се полимерни дизахариди на D-глюкуронова киселина и N-ацетил-D-глюкозамин, свързани с глюкуронидна β (1 → 3) връзка. 17, 18 Във водни разтвори HA образува специфични стабилни третични структури. 19 Въпреки простотата в състава си, без промени в състава на захарта или без точки на разклоняване, HA има различни физикохимични свойства. HA полимерите се срещат в голям брой конфигурации и форми, в зависимост от техния размер, концентрация на сол, рН и свързаните с тях катиони. 20 За разлика от други GAG, HA не е ковалентно свързан с протеиново ядро, но може да образува агрегати с протеогликани. 21 HA обхваща голям обем вода, което дава разтвори с висок вискозитет, дори при ниски концентрации. 13

Разпределение на НА в тъканите и клетките

HA е широко разпространен, от прокариотни, 22, 23 до еукариотни клетки. 24 При хората HA е най-разпространен в кожата, 25 - 29, което представлява 50% от общото HA на тялото, 30 стъкловидното тяло на окото, 31 пъпната връв, 17 и синовиалната течност, 32, 33, но също така присъства във всички тъкани и течности на тялото, като скелетни тъкани, 27 сърдечни клапи, 34 бели дробове, 35 - 39 аорта, 40 простата, 41 туника албуджинея, кавернозни тела и спонгиозно тяло на пениса. 42 HA се произвежда предимно от мезенхимни клетки, но също така и от други клетъчни типове. 34 - 38, 43

Биологична функция на НА

През последните 2 десетилетия бяха представени значителни доказателства, които разгадаха функционалната роля на HA в молекулярните механизми и посочиха потенциалната роля на HA за развитието на нови терапевтични стратегии за много заболявания.

Функциите на HA включват следното: хидратация, смазване на ставите, капацитет за запълване на пространството и рамка, през която клетките мигрират. 34 Синтезът на HA се увеличава по време на нараняване на тъкани и зарастване на рани 25, 44, 45 и HA регулира няколко аспекта на възстановяването на тъканите, включително активиране на възпалителни клетки за засилване на имунния отговор 46 - 48 и отговора на нараняване на фибробласти 49, 50 и епителни клетки. 51 - 55 HA също осигурява рамката за образуване на кръвоносни съдове 7, 45 и миграция на фибробласти, 56, 57, които могат да участват в прогресията на тумора. 58 Съобщава се и за корелация на нивата на НА върху клетъчната повърхност на раковите клетки с агресивността на туморите. 59

Размерът на HA изглежда от решаващо значение за различните му функции, описани по-горе. HA с висок молекулен размер, обикновено над 1000 kDa, присъства в непокътнати тъкани и е антиангиогенна и имуносупресивна, докато по-малките полимери на HA са сигнали за бедствие и мощни индуктори на възпаление и ангиогенеза. 38, 46, 60 - 63

Биосинтез на НА

HA се синтезира от специфични ензими, наречени HA синтази (HAS). Това са ензими, свързани с мембрана, които синтезират HA на вътрешната повърхност на плазмената мембрана 64 и след това HA се екструдират през пори-подобни структури в извънклетъчното пространство. 24, 65 Има три ензима на бозайници HAS -1, -2 и -3, които проявяват различни ензимни свойства и синтезират HA вериги с различна дължина. 66 - 68

Разграждане на HA

HA може също да се разгради не-ензимно чрез механизъм на свободните радикали 81 в присъствието на редуциращи агенти като аскорбинова киселина, тиоли, железни или медни йони, процес, който изисква присъствието на молекулярен кислород. По този начин агентите, които биха могли да забавят катализираното от свободните радикали разграждане на HA, могат да бъдат полезни за поддържане целостта на дермалната HA и нейните овлажняващи свойства. 16.

Рецептори на хиалуронова киселина

Съществуват различни протеини, които свързват НА, наречени хиаладерини, които са широко разпространени в ECM, клетъчната повърхност, цитоплазмата и ядрото. 15 Тези, които прикачват HA към клетъчната повърхност, представляват HA рецептори. Най-виден сред тези рецептори е трансмембранният гликопротеинов „клъстер на диференциация 44“ (CD44), който се среща в много изоформи, които са продукти на един ген с променлива екзонна експресия. 82 - 84 CD44 се намира на почти всички клетки, с изключение на червените кръвни клетки, и регулира клетъчната адхезия, миграция, активиране на лимфоцитите и насочване и метастази на рак.

Рецепторът за HA-медиирана подвижност (RHAMM) е друг основен рецептор за HA и се изразява в различни изоформи. 85 - 87 RHAMM е функционален рецептор в много видове клетки, включително ендотелни клетки 88 и в гладкомускулни клетки от белодробни артерии на човека 37 и дихателните пътища. 38 Взаимодействията на HA с RHAMM контролират клетъчния растеж и миграция чрез сложна мрежа от сигнални трансдукционни събития и взаимодействия с цитоскелета. 89 Трансформиращият растежен фактор (TGF) -β1, който е мощен стимулатор на клетъчната подвижност, предизвиква синтеза и експресията на RHAMM и HA и по този начин инициира движение. 90

Хиалуронова киселина в кожата

Използването на биотинилиран НА-свързващ пептид 91 разкрива, че не само клетки от мезенхимен произход са способни да синтезират НА и позволяват хистолокализацията на НА в дермалното отделение на кожата и епидермиса. 26, 92 - 94 Тази техника позволява визуализирането на НА в епидермиса, главно в ECM на горните спинозни и гранулирани слоеве, докато в основния слой HA е предимно вътреклетъчен. 26

Функцията на кожата като бариера се дължи отчасти на ламеларните тела, за които се смята, че са модифицирани лизозоми, съдържащи хидролитични ензими. Те се сливат с плазмените мембрани на зрели кератиноцити и имат способността да се подкисляват чрез протонни помпи и частично да превръщат полярните си липиди в неутрални липиди. Дифузията на воден материал през епидермиса се блокира от тези липиди, синтезирани от кератиноцити в слоя гранулозум. Този граничен ефект съответства на нивото на оцветяване с НА. Богатата на HA зона, по-ниска от този слой, може да получи вода от богата на влага дерма и съдържащата се в нея вода не може да проникне отвъд богатия на липиди слой гранулозум. Хидратацията на кожата критично зависи от свързаната с НА вода в дермата и в жизнената област на епидермиса, докато поддържането на хидратацията по същество зависи от гранулозата на слоя. Голямата загуба на гранулозата на пласта при пациенти с изгаряния може да причини сериозни клинични проблеми поради дехидратация. 16.

Както бе споменато по-горе, HA кожата представлява по-голямата част от 50% от общата HA на тялото. 30 Съдържанието на НА в дермата е значително по-високо от това на епидермиса, докато папиларната дерма има много по-високи нива на НА в сравнение с ретикуларната дерма. 92 HA на дермата е в приемственост с лимфната и съдовата системи. HA в дермата регулира водния баланс, осмотичното налягане и потока на йони и функционира като сито, като изключва някои молекули, подобрява извънклетъчния домейн на клетъчните повърхности и стабилизира кожните структури чрез електростатични взаимодействия. 16 Повишените нива на НА се синтезират по време на възстановяването на феталната тъкан без белези и продължителното присъствие на НА гарантира такова възстановяване на тъканите без белези. 95 - 97 Кожните фибробласти осигуряват синтетичен механизъм за дермална HA и трябва да бъдат цел за фармакологични опити за подобряване на хидратацията на кожата. За съжаление екзогенната НА се изчиства от дермата и бързо се разгражда. 70

Синтази на хиалуронова киселина в кожата

В кожата генната експресия на HAS-1 и HAS-2 в дермата и епидермиса е диференциално регулирана от TGF-β1, което показва, че HAS изоформите са независимо регулирани и че функцията на HA е различна в дермата и епидермиса. 16, 98 Експресията на mRNA на HAS-2 и HAS-3 може да бъде стимулирана от растежен фактор на кератиноцитите, който активира миграцията на кератиноцитите и стимулира зарастването на рани, което води до натрупване на HA с межди размери в културалната среда и в кератиноцитите. Миграционният отговор на кератиноцитите при заздравяването на рани се стимулира от повишен синтез на НА. 99 HAS-2 иРНК се индуцира също от IL-1β и TNFα във фибробласти 100 и от епидермален растежен фактор в епидермални кератиноцити на плъхове. 101

По време на нараняване на тъканите се съобщава за нерегулирана експресия на НА синтази. 102 - 104 HAS-2 и HAS-3 иРНК се увеличават значително след нараняване на кожата при мишки, което води до повишаване на епидермалната НА. 104 При ювенилната хиалинова фиброматоза, която е рядко автозомно-рецесивно заболяване, характеризиращо се с отлагане на хиалинов материал и множество кожни лезии, има значително намалена експресия на HAS-1 и HAS-3, което отчита намаления синтез на НА в кожни лезии. 105 В дермалните фибробласти, където HAS-2 е преобладаващата изоформа, глюкокортикоидите инхибират HAS mRNA почти напълно, което предполага молекулярна основа на намалената НА в атрофичната кожа в резултат на локално лечение с глюкокортикоиди. 16.

Хиалуронидази в кожата

В кожата не е установено кой от различните HYAL контролира обмена на НА в дермата и епидермиса. Изясняването на биологията на HYAL в кожата може да предложи нови фармакологични цели за противодействие на свързания с възрастта оборот на HA в кожата.

HA рецептори в кожата

В дермата и епидермиса HA се локализира съвместно с CD44. Точните варианти на CD44 в различните отделения на кожата все още не са изяснени. Съобщава се, че CD44-HA взаимодействията медиират свързването на клетките на Langerhans с HA в матрицата, заобикаляща кератиноцитите от техните богати на CD44 повърхности, докато мигрират през епидермиса. 106, 107 RHAMM се експресира и в човешката кожа. 28, 29 Индуцираната от TGF-β1 стимулация на движението на фибробластите се медиира чрез RHAMM, 90 докато свръхекспресията на RHAMM може да доведе до трансформация на фибробластите. 108

Хиалуронова киселина и стареене на кожата

Най-драматичната хистохимична промяна, наблюдавана в остаряла кожа, е забележимото изчезване на епидермална HA, докато HA все още присъства в дермата. Причините за тази промяна в HA хомеостазата със стареенето са неизвестни. Както бе споменато по-горе, синтезът на епидермална HA се влияе от подлежащата дерма и е под отделен контрол от синтеза на дермална HA. 16, 98 Съобщава се и за прогресивно намаляване на размера на HA полимерите в кожата в резултат на стареенето. 109 По този начин епидермисът губи основната молекула, отговорна за свързването и задържането на водните молекули, което води до загуба на влага в кожата. В дермата основната свързана с възрастта промяна е нарастващата авидност на НА с тъканни структури със съпътстваща загуба на екстрахируемост на НА. Това е успоредно с прогресивното омрежване на колагена и постоянната загуба на колагенова екстрахируемост с възрастта. 16 Всички горепосочени явления, свързани с възрастта, допринасят за очевидната дехидратация, атрофия и загуба на еластичност, която характеризира остарялата кожа.

Преждевременното стареене на кожата е резултат от многократно и продължително излагане на ултравиолетови лъчи. 110, 111 Приблизително 80% от стареенето на кожата на лицето се дължи на UV излагане. 112 Увреждането с ултравиолетово лъчение причинява първоначално лека форма на зарастване на рани и в началото се свързва с увеличаване на дермалната HA. По-малко от 5 минути излагане на ултравиолетови лъчи при голи мишки предизвика засилено отлагане на НА, което показва, че причиненото от ултравиолетовите лъчи увреждане на кожата е изключително бързо събитие. 16 Първоначалното зачервяване на кожата след излагане на UV лъчение може да се дължи на лека едематозна реакция, предизвикана от засиленото отлагане на НА и освобождаването на хистамин. Повтарящите се и обширни излагания на ултравиолетови лъчи в крайна сметка симулират типична реакция на заздравяване на рани с отлагане на подобен на белег колаген тип I, а не с обичайната смес от колаген тип I и III, която придава еластичност и податливост на кожата. 16.

Заключение

Наличните данни показват, че HA хомеостазата проявява отчетлив профил в присъщото стареене на кожата, който е напълно различен от този при външното стареене на кожата. Необходимо е да се придобие допълнителна представа за разбирането на метаболизма на HA в кожните слоеве и взаимодействията на HA с други кожни компоненти. Такава информация ще улесни способността за модулиране на влагата на кожата по рационален начин и може да допринесе за усъвършенстването на настоящите лекарства и разработването на нови лечения за стареене на кожата.