Основные клетки, отвечающие за поддержание порядка в межклеточном матриксе — фибробласты. Они постоянно производят и выделяют в окружающее пространство упомянутые выше молекулы, что обеспечивает его своевременное обновление.
Со временем структурные элементы матрикса кожи утрачивают свою функцию в непредсказуемой последовательности. Процесс их старения не постепенен и не равномерен, кроме того, динамика старения коллагеновых и эластических волокон матрикса усложнена из-за мимических мышц, соединенных с кожей[1]. Несмотря на присутствие в коже фибробластов и выделяемых ими ферментов, отвечающих за расщепление старых элементов матрикса и замену их новыми, в динамическое равновесие старения и обновления внеклеточного матрикса рано или поздно необратимо нарушается[2]. Это связано с тем, что стареющий матрикс меняет свой состав, структуру и другие параметры, такие, как жёсткость и механическое натяжение[3]. Это, в свою очередь, влияет на фибробласты и другие клетки кожи, втягивая в процесс старения и их[4].
Таким образом, повреждения накапливающиеся в компонентах кожи за счёт физических и химических факторов (таких, как ультрафиолетовое излучение или ферментативные и неферментативные реакции), начинают воздействовать на клеточные компоненты кожи. Старение одного за собой старение другого. Рассмотрим, какие именно процессы приводят к старению элементов матрикса, как они влияют на старение клеток кожи, и какие средства есть у организма для обращения этих процессов вспять.
Старение коллагеновых и эластических волокон
Главные структурные элементы внеклеточного матрикса кожи — волокна коллагена и эластина. Процессы их старения во многом сходны — ведь они подвергаются воздействию одних и тех же повреждающих факторов. Прежде всего, это фрагментация волокон матрикса — нарушение их физической целостности (Рис. 1).
Причиной такой фрагментации могут быть самые разнообразные внешние и внутренние повреждающие факторы. К первой группе отнесем такие внешние факторы, как, например: ультрафиолет, активные формы кислорода (АФК), влияние табака и других химических веществ[6,7,8,9,]. Они действуют случайно и вносят в молекулярные цепочки коллагеновых спиралей и эластических волокон первичные разрывы или же окисляют и химически видоизменяют их структуру. Ультрафиолет и генерируемые им АФК — одни из ключевых факторов, запускающих старение матрикса по механизму подавления каскада TGF-b и, через него, подавления синтеза нового коллагена на месте разрушенных волокон[10].
Металлопротеиназы матрикса
Повреждённые и окисленные внешними воздействиями коллаген и эластин, а также прочие структурные белки, образующие волокна матрикса, такие как фибриллин и фибронектин, утрачивают свои структурные функции. Однако в коже присутствует группа разнообразных ферментов, роль которых — расщеплять повреждённые компоненты матрикса для того, чтобы иметь возможность удалить его испорченные элементы и заменить их новыми[11,12]. Эти ферменты называют металлопротеиназами матрикса. Они действуют подобно ластикам, стирающим ненужные штрихи в сложном рисунке. Несмотря на то, что главная роль матриксных металлопротеиназ — ремоделирование межклеточного матрикса (то есть его обновление), нарушение в их работе может служить дополнительным повреждающим фактором, действие которого со временем накапливается. Например, металлопротениназы MMP1, MMP3 и MMP9 вместе расщепляют входящие в состав кожного каркаса молекулы коллагена типа I и типа III на фрагментированные дезорганизованные фибриллы. Эти разложившиеся продукты подавляют синтез коллагена, создавая петлю положительной обратной связи[13]. Интересно, что за активацию работы этих трёх ферментов отвечает тот же сигнальный белок АР1, который подавляет сигнальный путь TGF-b и синтез коллагена: один и тот же сигнал запускает разрушение матрикса и блокирует его возобновление — типичный «порочный круг"[14,15] .Отдельно следует упомянуть про старение эластина. Благодаря своей уникальной структуре, обилию поперечных сшивок и долговечности он, в отличие от коллагена, не подвергается столь значительному ремоделированию в здоровых тканях и имеет период полураспада более 70 лет в таких тканях, как паренхима лёгких и аорта[16,17,18]. На протяжении всей жизни организма эластические волокна подвергаются разнообразным ферментативным, химическим и биофизическим воздействиям и накапливают повреждения из-за своего низкого уровня обновляемости[19]. Поэтому этот тип волокон особенно подвержен старению из-за накопления повреждений, вызванных действием разлагающих их ферментов (матриксные металлопротеиназы, сериновые протеазы и цистеиновые протеазы, медленно повреждающих эластин десятилетиями). Продукты расщепления эластических волокон — пептиды эластокины — способны, накапливаясь, вызывать стерильное возрастное воспаление. А это — вечный спутник и одна из главных причин старения практически любой ткани[20]. Гистологически процессы старения эластических волокон характеризуются фрагментацией и истончением эластиновых структур.
Поперечные сшивки волокон
Помимо физических и химических, в частности, ферментативных процессов, приводящих к фрагментации волокон матрикса, старение кожи сопровождается противоположным по смыслу, но не менее вредоносным процессом — формированием поперечных сшивок между коллагеновыми и эластическими волокнами[21]. В норме они формируют в коже сеть с определённой структурой. Однако ряд ферментативных и неферментативных химических реакций приводит к тому, что со временем сшивки между волокнами возникают слишком часто и не там, где надо[22]. Волокна как бы слипаются, а матрикс при этом теряет упругость, повышая жёсткость — один из ключевых параметров, ассоциированных с его старением[23].Так же, как и в случае с деградацией матрикса, в возникновении злополучных сшивок между его волокнами принимают активное участие ферменты, в норме необходимые для ремоделирования. Ведь в молодом, здоровом матриксе сшивки тоже должны образовываться для формирования его правильной структуры с оптимальной жёсткостью. За производство таких сшивок отвечают две группы ферментов:
Первые образуют сшивки между остатками глутамина и лизина, вторые — между остатками лизина соседних волокон матрикса. В процессе старения кожи эти ферменты регулярно совершают «ошибки», производя поперечные сшивки не там, где надо (Рис. 2).
Как коллаген, так и эластин богаты остатками лизина и гидроксилизина, образующими ковалентные поперечные сшивки при катализе лизилоксидазами. В результате волокна переплетаются, превращаясь в жёсткую сетеподобную структуру. Такая пронизанная
поперечными сшивками сетка, состоящая из плотно соединённых волокон, нерастворима в воде и устойчива к неспецифическим протеолитическим
ферментам[27]. Интересно, что лизилоксидазы способны к образованию сшивок как между двумя остатками лизина (бивалентные сшивки), так и между тремя остатками (тривалентные сшивки). Они образуются в ходе реакции внутримолекулярной альдольной конденсации [28] (Рис. 2). Между би- и тривалентными сшивками могут идти дальнейшие реакции конденсации, приводящие к образованию четырёх- и пятивалентных сшивок, ещё сильнее стабилизирующих формирующуюся из молекул матрикса сетку [29].
Не менее существенный вклад в формирование жёстких сетеподобных структур из элементов стареющего матрикса кожи вносят ферменты трансглутаминазы (Рис. 3). Зависимые от ионов кальция, они обладают трансамидазной активностью и катализируют необратимое формирование γ-глутамил-ε-лизиновых изопептидных связей между остатками глутамина и лизина (либо гистидина) [30].
Вышеописанные ферментативные реакции — не единственный тип химических взаимодействий, ускоряющих старение матрикса. Помимо неправильной работы ферментов, сшивки могут формироваться и в результате спонтанных необратимых химических реакций между его элементами. Например, образовывать сшивки между соседними волокнами способны два произвольных остатка аспарагина и лизина в составе этих волокон[32].
Волокна внеклеточного матрикса могут стареть, не только подвергаясь разрывам или сшивкам, но и другим химическим модификациям. Например, группа французских исследователей показала, что важный маркер старения матрикса — это карбамилирование — присоединение к аминогруппам белков остатков изоциановой кислоты, одного из продуктов распада мочевины [33] (Рис. 4).
При карбамилировании остатков лизина в долгоживущих белках матрикса накапливается гомоцитруллин. Его содержание напрямую коррелирует с возрастом и обратно пропорционально продолжительности жизни у мышей, коров и людей[34]. Появление гомоцитруллиновых остатков в молекулах коллагена приводит к дестабилизации его трёхспиральной структуры и, как следствие, к снижению его устойчивости к температуре, действию металлопротеиназ и другим факторам деградации. В отличие от сшивок, возникающих в результате воздействия лизилоксидаз и трансглутаминаз, сшивки от карбамилирования не делают волокна коллагена жёстче. Напротив, они становятся более хрупкими. Общее здесь одно — от такой модификации организму тоже очень сложно избавиться самостоятельно.
В качестве последнего, но отнюдь не наименее важного, фактора старения коллагеновых и эластиновых волокон матрикса назовем гликирование — неферментативную реакцию волокн с остатками сахаров, также приводящую к формированию поперечных сшивок[36]. Эту группу реакций и её влияние на стареющий матрикс рассматривается в отдельном разделе.
Старение протеогликанов
Помимо гликопротеинового компонента — коллагеновых и эластических волокон, внеклеточный матрикс кожи содержит и второй, не менее важный компонент — протеогликаны, такие, как гиалуроновая кислота. Если гликопротеины — это каркас матрикса, придающий ему эластичность, упругость и жёсткость, то протеогликаны — это его «мягкая набивка». Они способны удерживать большое количество воды и сопротивляться внешнему давлению. Таким образом, они отвечают за механическую поддержку структуры ткани и обеспечение миграции клеток[37]. Наиболее распространенные протеогликаны кожи человека — декорин, перлекан и версикан. Отметим, что декорин взаимодействует с коллагеном, перлекан входит в состав базальных пластинок кожного эпителия и задействован при клеточной адгезии, а версикан находится в эластических волокнах кожи[38]. Оба протеогликана играют важную роль в изменениях, происходящих с течением времени c кожей человека.Размер молекул декорина уменьшается с возрастом, а цепи гликозаминогликанов декорина в коже человека укорачиваются в процессе старения. Подобное возрастное уменьшение размера цепочек гликозаминогликанов, скорее всего, связано с повышением хрупкости кожи у пожилых людей[39]. Общий уровень содержания сульфатированных гликозаминогликанов в стареющей коже также падает[40]. Кроме того, относительные пропорции содержания гликозаминогликанов также изменяются: в образцах кожи с естественным старением наблюдается снижение количества гепарансульфата и хондроитинсульфата, особенно хондроитин-6-сульфата в базальной мембране, в то время как содержание кератансульфата и дерматансульфата, наоборот, увеличивается[41].
В коже плода по сравнению со зрелой кожей, экспрессия хондроитинсульфата выше. Это может способствовать способности кожи плода к заживлению без рубцов[42]. В отличие от естественно состарившейся кожи, кожа, стареющая под воздействием ультрафиолета, наоборот демонстрирует повышение общего уровня сульфатированных гликозаминогликанов[43].
Влияние стареющего матрикса на клетки кожи
Итак, мы выяснили, что с возрастом, с одной стороны, происходит повреждение и фрагментация волокон внеклеточного матрикса, а с другой — их ферментативное и неферментативное сшивание поперечными сшивками. В результате повышается жёсткость матрикса. С нарастанием жёсткости, при задействовании сигнальных путей формируются петли положительной обратной связи, ещё больше увеличивающие жёсткость матрикса и степень его деградации и фрагментации. Матрикс с повышенной жёсткостью и механическим напряжением начинает влиять на расположенные в нём фибробласты и другие клетки кожи. В итоге стареющая от повреждающих факторов среда (напомним, что по объёму внеклеточный матрикс составляет основную часть кожи и придает ей прочность и упругость) приводит к старению живущих в ней клеток, и происходит это следующим образом.Фибробласты и клетки эпителия, населяющие внеклеточный матрикс — это не статичные объекты. Они взаимодействуют с окружающей их средой множеством способов (Рис. 5). Клетки чувствуют степень жёсткости матрикса при помощи различных белков-рецепторов. Силы натяжения, сжатия и сдвига перекодируются в биохимические сигналы. Этот процесс известен как механотрансдукция. В ходе механотрансдукции механическое напряжение матрикса приводит к образованию на нём так называемых фокальных контактов — белковых образований, при помощи которых клетка «цепляется» за матрикс. От фокальных контактов в глубину клетки уходят стресс-фибриллы — натянутые белковые нити, которые передают механическое напряжение внутрь клетки и запускают разнообразные сигнальные каскады[44]. С одной стороны, стресс-фибриллы соединяются через фокальные контакты с матриксом, с другой — крепятся к оболочкам клеточных ядер. Натяжение этих «внутриклеточных канатов» вносит значимый вклад в создание сил напряжения внутри и снаружи клеток [45]. Таким образом, жёсткость внеклеточного матрикса влияет на клеточные ядра. В частности, от неё зависит уровень компактизации ядерного хроматина и, как следствие, экспрессия генов и изменение физиологии клеток [46].
Жёсткость матрикса растёт с возрастом. Нарушения в его структуре влияют на физиологию клеток: падает их способность прикрепляться к матриксу, снижается подвижность [47]. Более того, рост жёсткости матрикса приводит к выделению клетками факторов роста, стимулирующих синтез компонентов матрикса и ещё сильнее повышающих его жёсткость[48].
В молодой коже фибробласты производят в основном фибриллы коллагена I типа, формирующие окружающий их матрикс. Они прикрепляются к нему и проявляют «молодой» фенотип, характеризующийся сохранением состава и структурной организации внеклеточного матрикса кожи. Однако, в процессе старения взаимодействия фибробластов и матрикса нарушаются из-за фрагментации коллагеновых фибрилл и повышения жёсткости матрикса за счёт возникновения в нём поперечных сшивок. Эти нарушения вызывают снижение скорости миграции фибробластов.
Возросшее механическое напряжение матрикса неизбежно приводит к возникновению у них «старого» фенотипа. Общее направление воздействия деградации внеклеточного матрикса на фибробласты в стареющей коже заключается в изменении их морфологии. Из уплощенных, растянутых и контактирующих с многочисленными неповрежденными коллагеновыми волокнами клеток они превращаются в съёжившиеся клетки с маленьким объёмом цитоплазмы и отсутствием прямой связи с окружающими их фрагментированными коллагеновыми фибриллами [49].
Такие фибробласты синтезируют меньше белков матрикса и больше металлопротеиназ, разлагающих матрикс. Дисбаланс гомеостаза внеклеточного матрикса приводит к ещё большему повреждению его волокон за счёт возникновения самовоспроизводящегося порочного круга [50].
Кроме того, при возрастном разрушении внеклеточного матрикса высвобождаются провоспалительные медиаторы и нарушаются защищенные ниши населяющих его стволовых клеток, что приводит к нарушению процесса их самообновления (Рис.6). Все это способствует cтимуляции дальнейшего разрушения матрикса, старения и апоптоза фибробластов [51] (Рис. 6).
Заключение
Итак, сформулируем в конце главы общие закономерности старения матрикса. Под воздействием времени и внешних факторов, таких как активные формы кислорода и ультрафиолет, нарушается равновесие между разрушением коллагеновых и эластических волокон и их восстановлением. Немаловажную роль в этом процессе играет активация фактора АР1, подавляющего синтез коллагена и стимулирующего работу разрушающих его металлопротеиназ. Параллельно растёт количество ферментативных и неферментативных ковалентных химических сшивок между волокнами матрикса. В итоге падает его эластичность и растёт жёсткость. Постепенная деградация волокон матрикса и возрастание в нём механического напряжения приводит к клеточному старению населяющих матрикс фибробластов и разрушению ниш стволовых клеток эпидермиса. Старение фибробластов и нарушение самообновления стволовых клеток ещё сильнее усиливают порочные круги, и старение кожи прогрессирует.