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).
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.
*Фотосенсибилизаторы — усилители действия солнечного излучения, например, порфирины, билирубин и меланин.
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 фотоканцерогенеза [2].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 приводит к дряблости кожи [3].
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 волокнами [4].
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.
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).
- за счет увеличения экспрессии ферментов, разлагающих коллаген (MMP);
- за счет снижения скорости синтеза нового коллагена.
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 образом[8,9].
Исследования также показали, что ИК-А вызывает значительное снижение содержания антиоксидантов в коже человека и, соответственно, на развитие окислительного стресса под воздействием этого излучения[10].
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 ERK½, p38, JNK, PI3K/AKT, STAT3, и IL-6[11].
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).
*Всего на озон в атмосфере планеты приходится около 0,6 части на миллион по объему: это значит, например, что в каждом кубометре атмосферы всего 0,6 кубического сантиметра озона.
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 глава[13,14].
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 коже[15,16] .
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.