4 курс / Дерматовенерология / Коллаген_в_косметической_дерматологии_Хабаров_В_Н
.pdf
Рис. 1.7. Сшивание эластина посредством внутримолекулярной окислительной конденсации, приводящее к образованию десмозина (Овчинников, 1987)
et al., 2016). За это время активность расщепляющего эластин фермента металлоэластазы MMP-12 постепенно растёт (рис. 1.8). В совокупности это приводит к снижению эластичности кожи, которые связывают наблюдаемыми структурными изменениями эластиновых волокон в виде утолщений и гранулярных отложений эластина. Нарушения или повреждения эластиновых волокон могут сопровождаться образованием морщин даже при отсутствии таких факторов, как старение или воздействие интенсивного солнечного излучения. Дефекты эластино-вых волокон могут обусловливать возникновение самых разнообразных дерматологических заболеваний, таких как синдром дряблой кожи, эластическая псевдоксантома, ползучий перфорирующий эластоз, лен-тикулярный дерматофиброз (Бауманн, 2016).
Продолжительность полужизни (время полураспада) эластина составляет в среднем около 74 лет, и это при том, что у взрослых не происходит синтез эластина de novo. Поэтому возможность восстановления эластиновых волокон во внутриклеточном матриксе кожи всегда приковывала внимание специалистов, работающих в области медицинской косметологии. Большой интерес к этим исследованиям отмечается и в настоящее время. Так, например, продолжаются поиски путей активирования производства тропоэластина фибробластами дермы (Li et al., 2017; Zeichner, 2016; Qa'aty et al., 2015; Rossetti et al., 2011). Многообещающие результаты использования цинка в качестве стимулятора синтеза эластина в коже приведены в монографии (Бауманн, 2016). Было установлено, что цинк активирует сигнальный путь эпидермального фактора роста, кроме того, стимулирует фосфорилирование тирозиновых белков за счёт ингибирования тирозинфосфатазы, а также активирует митоген-активи- руемые протеинкиназы (МАР-киназы). В другой монографии (Хабаров, 2017)
Медицинские книги
@medknigi
представлены результаты многочисленных научных исследований влияния цинксодержащих препаратов ГК на ремоделирование межклеточного матрикса дермы в части синтеза коллагена I и III типов.
Рис. 1.8. А - нормальное состояние эластина - клубок, растягивающийся под действием силы F. Чёрные линии - сшивки десмозином; Б - эластаза расщепляет тропоэластин на фрагменты, содержащие сшивки
ЛИТЕРАТУРА
Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М. : Мир, 1987. Т. 3.
Алейникова Т.Л., Авдеева Л.В., Андрианова Л.Е. и др. Биохимия. М. : ГЭОТАР-
МЕД, 2003.
Бауманн Л. Косметическая дерматология. М. : МЕДпресс-информ 2016. Босток К., Самнер Э. Хромосомы эукариот. М. : Мир, 1981. Овчинников Ю.А.
Медицинские книги
@medknigi
Биоорганическая химия. М. : Просвещение, 1987. Северин Е.С. Биохимия. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2006.
Северин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В., Силаева С.А. Биологическая химия. М. : МИА, 2008.
Хабаров В.Н. Гиалуроновая кислота в инъекционной косметологии. М. : ГЭОТАР-
Медиа, 2017.
Хабаров В.Н., Бойков П.Я. Биохимия гиалуроновой кислоты. М. : Тисо-принт,
2016.
Хабаров В.Н., Бойков П.Я., Колосов В.А., Иванов П.Л. Гиалуронан в артрологии. М : Эдвантиж сольюшинз, 2014.
Хабаров В.Н., Бойков П.Я., Селянин М.А. Гиалуроновая кислота. М. : Практическая медицина, 2012.
Aziz J., Shezali H., Radzi Z., Yahya N.A. et al. Molecular mechanisms of stressresponsive changes in collagen and elastin networks in skin // Skin Pharmacol. Physiol. 2016. Vol. 29, N 4. P. 190-203.
Boot-Handford R.P., Tuckwell D.S. Fibrillar collagen: the key to vertebrate evolution? A tale of molecular incest // Bioessays. 2003. Vol. 25, N 2. P. 142-151.
Briggs M.D., Choi H.C., Warman M.L., Loughlin J.A. et al. Genetic mapping of a locus for multiple epiphyseal dysplasia (EDM2) to a region of chromosome 1 containing a type IX collagen gene // Am. J. Hum. Genet. 1994. Vol. 55. P. 678-684.
Chen Z., Shin M.H., Moon Y.J., Lee S.R. et al. Modulation of elastin exon 26A mRNA and protein expression in human skin in vivo // Exp. Dermatol. 2009. Vol. 18. P. 378-386.
Croska A.B., Stern R. Hypotesis on the evolution of hyaluronan // Glicobiology. 2013. Vol. 23, N 4. P. 398-411.
Di Lullo G.A. Mapping the ligand-binding sites and disease-associated mutations on the most abundant protein in the human, type I collagen // J. Biol. Chem. 2002. Vol. 277, N 6. P. 4223-4231. doi: 10.1074/jbc.M110709200.
Halper J., Kjaer M. Basic components of connective tissues and extracellular matrix: elastin, fibrillin, fibulins, fibrinogen, fibronectin, laminin, tenascins and thrombospondins // Adv. Exp. Med. Biol. 2014. Vol. 802. P. 31-47.
Jensen S.A., Handford P.A. New insights into the structure, assembly and biological roles of 10-12 nm connective tissue microfibrils from fibrillin-1 studies // Biochem. J. 2016. Vol. 473, N 7. P. 827-838.
Li W.H., Wong H.K., Serrano J., Randhawa M. et al. Topical stabilized retinol treatment induces the expression of HAS genes and HA production in human skin in vitro and in vivo // Arch. Dermatol. Res. 2017. Vol. 309, N 4. P. 275-283.
Медицинские книги
@medknigi
Miao M., Reichheld S.E., Muiznieks L.D., Sitarz E.E. et al. Single nucleotide polymorphisms and domain/splice variants modulate assembly and elastomeric properties of human elastin. Implications for tissue specificity and durability of elastic tissue // Biopolymers. 2017. Vol. 107, N 5. P. 342-348.
Mora-Huertas A.C., Schmelzer C.E., Hoehenwarter W., Heyroth F. et al. Molecularlevel insights into aging processes of skin elastin // Biochimie. 2016. Vol. 128-129. P. 163-173.
Mouw J.K., Ou G., Weaver V.M. Extracellular matrix assembly: a multiscale deconstruction // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014. Vol. 15, N 12. P. 771-785.
Qa'aty N., Vincent M., Wang Y., Wang A. et al. Synthetic ligands of the elastin receptor induce elastogenesis in human dermal fibroblasts via activation of their IGF- 1 receptors // J. Dermatol. Sci. 2015. Vol. 80, N 3. P. 175-185.
Rossetti D., Kielmanowicz M.G., Vigodman S., Hu Y.P. et al. A novel anti-ageing mechanism for retinol: induction of dermal elastin synthesis and elastin fibre formation // Int. J. Cosmet. Sci. 2011. Vol. 33, N 1. P. 62-69.
Zeichner J.A. The Use of lipohydroxy acid in skin care and acne treatment // J. Clin. Aesthet. Dermatol. 2016. Vol. 9, N 11. P. 40-43.
Медицинские книги
@medknigi
Глава 2. Коллаген и эластин в организации и функционировании межклеточного матрикса дермы
Одна из особенностей многоклеточных организмов - наличие вне-или межклеточного матрикса, который окружает большинство клеток. В состав межклеточного матрикса входят различные биологические ма-кромолекулярные соединения (белки коллаген и эластин, гликозамино-гликаны, протеогликаны, неколлагеновые структурные белки, гормоны, факторы роста), которые образуют сложный комплекс в виде упорядоченной сетевой структуры, функционирующей как единое целое. Клеточный состав межклеточного матрикса представлен различного рода фибробла-стами, фиброкластами, тучными клетками, макрофагами (гистиоцитами), лимфоидными клетками. Межклеточный матрикс играет ключевую роль в процессах поддержания формы клеток, их развитии, миграции, участии в сигнальной коммуникации и дифференцировке клеток.
2.1. КОЛЛАГЕНЫ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА
Отличительная особенность соединительных тканей - большой объём межклеточного матрикса и относительно малое количество клеток (рис. 2.1).
Система соединительных тканей обеспечивает опору для различных структур, тканей, органов, разъединяет и функционально связывает их между собой. Например, базальная мембрана, состоящая в основном из коллагена IV типа, разъединяет эпидермис и дерму и вместе с тем через структурную ассоциацию с ГК и коллагеном может влиять на функционирование связанных с этими биополимерами фибробластов дермы (Kielty et al., 1992).
О размерах межклеточного пространства в организме человека в целом можно судить по распределению жидкости в межклеточном и внутриклеточном компартментах. Объём внутриклеточной жидкости человека весом в 70 кг оценивается в 30 литров, а межклеточной - в 10 литров (Мусил и др., 1981). На примере соединительной ткани дермы рассмотрим общую организацию межклеточного матрикса.
Медицинские книги
@medknigi
Рис. 2.1. Схема строения межклеточного матрикса
Межклеточный (внеклеточный, экстраклеточный, околоклеточный, перицеллюлярный, экстрацеллюлярный) матрикс дермы состоит из пяти основных классов макромолекул: коллагенов, эластина, глико-заминогликанов (главным образом ГК), протеогликанов и гликопро-теинов. К преимущественно структурным белкам относят семейство коллагенов и эластина, а к преимущественно адгезивным белкам - фибронектин и ламинин. Внешний вид и функциональные свойства кожи в значительной степени определяются состоянием коллагеновой сети межклеточного матрикса дермы. Следует подчеркнуть, что ма-триксные структуры дермы - волокнистый компонент (коллагеновые и эластиновые волокна) и аморфный компонент (гликопротеины, гли-козаминогликаны, протеогликаны и их агрегаты) - биохимически и функционально взаимосвязаны. Эти структуры играют важнейшую роль в регуляции тканевого метаболизма, являясь для клеток химическими раздражителями и опорными структурами. В частности, матриксные структуры влияют на такие важнейшие процессы клеточной динамики, как детерминация, пролиферация, миграция и морфогенетическая гибель. Мембрана фибробластов играет в этих условиях роль обширной и важной рецепторной зоны, контактирующей с компонентами кожного матрикса (Серов, Шехтер, 1981; Слуцкий, 1984, Шафранов и др., 2006). Фибробласты дермы синтезируют коллагены I, III, IV, V и VII типов. Они различаются по аминокислотному составу, последовательности аминокислот в полипептидной цепи, первичной структуре полипептидных а-цепей, посттрансляционным модификациям (гидроксили-рование лизина и пролина, гликозилирование гидроксилизина и др.), самосборке в межклеточном матриксе, функциям и локализации.
Коллагены I и III типов образуют прочные фибриллы, которые являются основными структурными компонентами межклеточного матрикса дермы. Они формируют надмолекулярные структуры с различной плотностью упаковки, но
Медицинские книги
@medknigi
коллаген I типа образует более толстые, плотно расположенные фибриллы, в то время как коллаген III типа отличается большей гидра-тированностью молекул и формирует тонкие фибриллы и волокна с рыхлой упаковкой. Преобладание коллагена I типа расценивается как признак морфологической зрелости ткани. Имеется ряд работ, экспериментально доказывающих изменение содержания основных типов коллагена в коже на разных этапах онтогенеза человека. На этапе эмбриогенеза первыми в коже появляются коллагеновые волокна III типа, коллаген I типа обнаруживается позднее. Но к 12 нед эмбриогенеза в коже присутствуют оба типа волокон (Коломоец и др., 2013). Кожа новорожденного сильно подвержена механическим воздействиям в связи с тем, что коллагеновые структуры, придающие коже эластичность и упругость, созревают только к 4 месяцам. Дерма в этот период в 1,5-3 раза тоньше, чем у взрослых. Окончательное формирование происходит к 7 годам (Bonnema, 2007), и к этому моменту в коже человека повышается и доминирует содержание коллагена I типа.
Коллаген IV типа локализуется только в базальной мембране, разделяющей эпидермис и дерму. Вместо фибрилл он образует плоскую сеть, составляющую значительную часть всей базальной мембраны, но, как и фибриллярный коллаген, он представляет собой суперспираль, состоящую из трёх а-цепей. Каждая цепь коллагена IV типа сильно гликозили-рована. Тройные спирали самоорганизуются в суперспираль, что требует самых различных по природе взаимодействий. Мономерные тройные спирали связываются С-концами с образованием димеров и N-концами с образованием тетрамеров. N-концевая неколлагеновая последовательность содержит четыре остатка цистеина, которые участвуют в формировании внутри- и межцепочечных дисульфидных связей, стабилизирующих макромолекулу. Кроме концевых взаимодействий, тройные спирали могут скручиваться с образованием суперспирали (Фаллер, Шилдс, 2016).
Важную роль в коже играет коллаген VII типа. Он образует «заякоренные» фибриллы. Одним концом фибриллы соединяются с базальной мембраной, а другой конец проникает в глубокие слои дермы и связывается там с «якорными дисками» (рис. 2.2). Нарушение образования нормальных фибрилл из коллагена VII типа клинически проявляется высокой растяжимостью кожи.
Медицинские книги
@medknigi
Рис. 2.2. Схема соединения базальной мембраны (Lamina densa) с дермой фибриллами коллагена VII типа (Алейникова и др., 2003)
Таким образом, в дерме здорового взрослого человека присутствует в основном интерстициальный фибриллярный коллаген, представленный коллагеном I типа (80-90%), преимущественно располагающимся в сетчатом слое, коллаген III типа (8-15%), а также в малом процентном соотношении присутствует коллаген V типа, который объединен в фибриллах с коллагеном I и III типов и участвует в регуляции диаметра волокон, коллаген VII типа, связанный с фибриллами сосочкового слоя дермы, коллаген IV типа базальной мембраны.
2.2. ЭЛАСТИНОВАЯ СЕТЬ
В коллагеновую сеть межклеточного матрикса соединительной ткани дермы вплетена эластиновая сеть (рис. 2.3). Эластиновые волокна - неотъемлемая часть внутриклеточного матрикса. Эластиновые волокна обеспечивают упругость и эластичность кожи. Как уже упоминалось, эластогенез начинается на эмбриональном этапе развития человека, а максимальная активность данного процесса приходится на перинатальный период, после чего активность эластогенеза существенно снижается и практически не отмечается у взрослого человека.
Медицинские книги
@medknigi
Рис. 2.3. Сеть эластиновых волокон в дерме кожи (сканирующая электронная микроскопия) (Албертс и др., 1987)
В отличие от коллагеновых волокон, волокна эластина, представленные в межклеточном матриксе дермы, находятся на разных этапах созревания. Наименее зрелые волокна ориентированы перпендикулярно и идут от дермально-эпидермального соединения к верхним отделам сетчатого слоя дермы. Более зрелые эластиновые волокна содержат большое количество отложений эластина на фибриллиновой сети и расположены в самых глубоких слоях сетчатого слоя (Бауманн, 2016).
Молекулы фибриллярного белка эластина, секретированные в межклеточное пространство, образуют волокна и слои, в которых отдельные макромолекулы связаны множеством сшивок в разветвленную сеть с гибкой и случайной конформацией. Перекрестное сшивание эластина является сложным процессом, он необходим для нормального функционирования и стабильности эластиновых волокон. Этот процесс протекает при участии медьзависимого фермента лизилоксидазы, после чего осуществляется формирование поперечных связей между десмозином и изодесмозином, в результате которых и образуется стабильная нерастворимая эластиновая сеть. Вязкоэластичные нерастворимые
Медицинские книги
@medknigi
полимерные волокна эластина могут растягиваться более чем в два раза, сохранять высокую прочность на разрыв даже в полностью растянутом состоянии. После снятия нагрузки волокна эластина самопроизвольно сокращаются до первоначальной величины. Прочность нитей определяется ковалент-ными связями между мономерами эластина. Такая структура позволяет всей сети эластиновых волокон растягиваться и сжиматься. А сеть жёстких коллагеновых волокон, в которую вплетена эластиновая сеть, ограничивает растяжимость эластиновой сети и предотвращает разрыв ткани.
Поверхность эластиновых волокон обычно покрыта микрофибриллами гликопротеина. В развивающихся тканях эти микрофибриллы появляются раньше самого эластина, и, возможно, они организуют се-кретируемые клетками молекулы эластина в волокна и слои.
Эластин, как известно, образуется только фибробластами эмбриона. В эмбриональном периоде фибробласты также синтезируют преимущественно коллаген III типа. Поэтому межклеточный матрикс дермы кожи новорожденного состоит из менее прочной эластиновой и колла-геновой сети. Способность эластина к взаимодействию с ГК и коллагеном, обусловленная особенностями химического строения эластина, приводит к формированию устойчивого межклеточного матрикса кожи в зрелом возрасте. В зрелых эластиновых волокнах содержатся протео-гликаны, в частности, версикан, который наряду с аггреканом и ней-роканом является связующим элементом с ГК. Версикан участвует в процессах адгезии, пролиферации и миграции клеток, а также способен к взаимодействию и образованию связей со многими белковыми молекулами внутриклеточного матрикса.
2.3. КЛЕТОЧНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ КОЛЛАГЕНА И ЭЛАСТИНА
Межклеточный матрикс является основной средой, реагирующей на внешние воздействия и физиологические изменения в организме. Нативный (интактный) коллаген и эластин содержат множество участков (лиганд), посредством которых они связываются с группой белков межклеточного матрикса и внеклеточными доменами ряда трансмембранных белков различного типа клеток. Контакт поверхностных рецепторов с коллагеном и эластином приводит к их активированию и передаче сигналов внутрь клеток, что, в свою очередь, стимулирует синтез множества секреторных белков, в том числе влияющих на состояние межклеточного матрикса. Такие взаимодействия посредством обратной связи поддерживают гомеостаз тканей, а их нарушение приводит к развитию патологий. Как выяснилось за последнее десятилетие, при старении, травмах и патологиях основную роль в таких контактах играют так называемые матрикины. По аналогии с цитокинами, матрикинами называют фрагменты любых белков межклеточного матрикса, которые проявляют биологическую активность. Наиболее важная их функция - взаимодействие с рецепторами на поверхности клеток. Матрикины вовлечены как в нормальные, так и патологические физиологические процессы: формирование и развитие органов, ангиогенез, иммунные ответы, репарацию тканей, а также воспаления, рост опухолей и их метастазирование. Появление матрикинов, их размер и
Медицинские книги
@medknigi