Аквапорация - новый метод глубокого увлажнения кожи, направленный на восстановление водорегулирующей системы всего эпидермиса

Кожа в целом и эпидермис в частности имеют сложные системы регуляции водного баланса, задача которых заключается не только в том, чтобы поддерживать необходимый уровень воды, но и в том, чтобы водная среда постоянно обновлялась и не застаивалась. Если подойти к решению проблемы увлажнения кожи с этих позиций, то становится очевидным, что нужно не только укреплять барьерные структуры, сосредоточенные в роговом слое, но и научиться воздействовать на механизмы, регулирующие водный баланс всего эпидермиса.  Метод аквапорации направлен на решение этой задачи.

Многоуровневая система регуляции водного баланса эпидермиса

Симптомы сухости кожи, такие как шелушение, растрескивание, мелкие морщины, стягивание развиваются тогда, когда в роговом слое уровень влаги снижается ниже 15 вес.%.  С помощью специальных косметических средств мы можем скорректировать это состояние, укрепив водоудерживающие структуры рогового слоя. Задача косметического увлажнения не так проста, как кажется на первый взгляд,но сегодня она успешно решается в рамках концепции, известной как корнеотерапия.

Вместе с тем корнеотерапевтическое увлажнение кожи нацелено исключительно на роговой слой. Но давайте вспомним, что во многих случаях причины, вызывающие нарушения рогового слоя, лежат глубже – в живых слоях эпидермиса. Роговой слой – это продукт дифференцировки кератиноцитов, основных клеток эпидермиса, и если их жизнь протекала в неблагоприятных условиях, то и роговой слой может сформироваться дефектным.

У эпидермиса существует целая система водоудерживающих и водорегулирующих структур, скоординированная работа которых обеспечивает его способность сдерживать воду внутри тела. При этом вода в самом эпидермисе не застаивается, а динамично обновляется.

Функционирование кератиноцитов во многом зависит от той среды, в которой они находятся. Поскольку это живые клетки, то главным условием их существования является вода. Вода есть внутри клеток и вокруг них, и очень важно, чтобы вода находилась в непрерывном движении. Кожа в целом и эпидермис в частности имеют сложные системы регуляции водного баланса, задача которых заключается не только в том, чтобы поддерживать необходимый уровень воды, но и в том, чтобы водная среда постоянно обновлялась и не застаивалась. Вместе с током воды к клеткам эпидермиса поступают питательные вещества и сигнальные молекулы и, наоборот, удаляют продукты обмена.

Если подойти к решению проблемы увлажнения кожи с этих позиций, то становится очевидным, что нужно не только укреплять барьерные структуры, сосредоточенные в роговом слое, но и научиться воздействовать на механизмы, регулирующие водный баланс всего эпидермиса.

Данные, которыми сегодня располагает наука, позволяют говорить о том, что мы вплотную подступили к решению этой задачи.

Водный баланс эпидермиса важен не только для внешнего вида и нормального функционирования кожи – он жизненно важен для всего организма. Именно эпидермис, будучи границей между внутренней водной средой организма и внешней воздушной средой обитания, отвечает за то, чтобы наш организм не был обезвожен в результате быстрого испарения воды.

Роговой слой служит физическим барьером, регулирующим испарение воды.

Основной движущей силой, обеспечивающей поток воды из дермального слоя в эпидермис, служит ее испарение с поверхности кожи. Роговой слой не является 100% барьером для воды, и она передвигается внутри него в одном направлении – изнутри наружу, а затем испаряется. Скорость трансэпидермального испарения воды (ТЭПВ) контролируется специальными структурами рогового слоя, к которым относятся:

- липидный барьер, расположенный между корнеоцитами: в его основе упорядоченный липидный матрикс, организованный в пластиноподобные структуры. В матриксе есть гидрофобные и гидрофильные регионы; по гидрофильным регионам происходит диффузия молекул воды, в направлении к поверхности кожи;

- компоненты натурального увлажняющего фактора (свободные аминокислоты, мочевина, молочная кислота, пироглутамат натрия) низкомолекулярные гигроскопичные соединения, расположенные преимущественно вокруг роговых конвертов корнеоцитов. Удерживают воду ионными связями;

-кератин: высокомолекулярный гигроскопичный белок, заполняющий роговые чешуйки. Удерживает воду благодаря ионным связям между заряженными группами и диполями воды;

- кожное сало: создает дополнительное гидрофобное покрытие на коже. Сдерживает испарение воды благодаря окклюзии.

Водорегулирующие структуры рогового слоя относятся к механизмам пассивной регуляции – их работа зависит исключительно от их структурной полноценности и количества. Надо отметить, что в норме роговой слой довольно хорошо сдерживает испарение, и если бы эпидермис рассчитывал только на отток воды через него, то возникшая движущая сила была бы слишком слабой, чтобы обеспечивать достойную циркуляцию жидкости внутри живых слоев эпидермиса. Кроме того, подобный поток воды был бы однонаправленным – со стороны дермального слоя к роговому, что также нежелательно, ведь в таких условиях был бы затруднен вывод продуктов клеточного метаболизма из эпидермиса и обмен сигнальными молекулами.

Работа аквапоринов обеспечивает активную циркуляцию воды в живых слоях эпидермиса

Перемешивание воды в пределах живых слоев эпидермиса обеспечивают аквапорины – интегральные белки, пронизывающие мембраны клеток и формирующие в них сквозные каналы (поры), по которым вода может поступать или покидать клетку (рис 1). Аквапорины найдены у всех живых клеток, они осуществляют транспорт воды, а также некоторых низкомолекулярных веществ (глицерина и мочевины) по осмолярному градиенту.

Рис. 1. Строение аквапоринового комплекса

Аквапориновый комплекс - это гомотетрамер (а), состоящий из четырех одинаковых субъединиц (б). Каждая субъединица имеет 6 спиралевидных доменов и формирует одну водную пору.

Несмотря на то, что работа аквапоринов напрямую не требует энергетических затрат в виде АТФ, аквапориновую систему относят к механизмам активной регуляции водного баланса, поскольку здесь задействованы живые клетки. К настоящему времени в коже обнаружено по меньшей мере 6 изоформ аквапоринов (см. таблицу), но наиболее распространенным является аквапорин-3 (AQP-3) [1-3]. Примечательно, что он имеется у живых кератиноцитов, в мертвых же корнеоцитах (и в самом роговом слое) аквапоринов вообще нет.

Аквапорины кожи человека

Судя по всему, именно AQP -3 наиболее значим для поддержания водного баланса эпидермиса, а также для правильного созревания кератиноцитов и своевременного превращения их в корнеоциты. Основным естественным регулятором активности AQP- 3 служит кислотность среды – при закислении происходит ингибирование водных каналов. Другим фактором, действующим на работу аквапориновой системы, являются ионы кальция – повышение внеклеточной концентрации Ca²⁺ подавляет экспрессию AQP-3 и уменьшает поступление в клетку глицерина. Аквапориновый механизм чувствителен к осмотической силе межклеточной жидкости, зависящей от концентрации солей и осмотически активных соединений (белков, сахаров). В исследовании [3] наблюдали повышение экспрессии AQP-3 в культуре кератиноцитов в условиях осмотического стресса, когда в питательной среде повышали концентрацию хлорида натрия, сорбитола, маннитола, сахарозы и глюкозы.

Экспрессия аквапоринов лабильна и адаптируется к разным условиям. При отеке, когда имеется застой жидкости, уровень AQP-3 резко падает вплоть до полного исчезновения. Снижение экспрессии AQP-3 наблюдается с возрастом и усугубляется хроническими УФ-излучением. При атопическом дерматите, напротив, уровень AQP-3 возрастает. Предполагают, что это адаптивная реакция кожи, направленная на то, чтобы компенсировать высокую потерю воды через слабый роговой слой, характерный для атопического дерматита.

Межклеточное пространство в эпидермисе занимает не более 1% объема, остальное приходится на клетки. Но именно по межклеточным щелям идет основной поток воды и растворенных в ней веществ, и если этот регулируется недостаточно хорошо, клетки оказываются в условиях недостаточного снабжения питательными веществами и застоя продуктов метаболизма.

а) Гистологический срез кожи

ГК больше содержится в папиллярном слое дермы, о чем свидетельствует его интенсивная окраска, в то время как более глубокая ретикулярная дерма окрашена слабее. Пространство между эпителиальными клетками, выстилающими сально-волосяной фолликул, также интенсивно окрашено.

б) Эпидермис

Видно, что ГК локализована между живыми кератиноцитами (их ядра имеют голубую окраску). В роговом слое ГК отсутствует. Звездочками обозначен базальный слой, треугольниками –граница с роговым слоем.

в) Ультраструктурная локализация ГК между кератиноцитами

Образец кожи был окрашен, как описано выше, а затем исследован с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. Темная субстанция между соседними клетками - это и есть ГК.

Рис.2. Гиалуроновая кислота (ГК) в эпидермисе: ГК окрашена коричневым цветом, ядра кератиноцитов – голубым.

Диффузия воды и ионов сквозь эпидермис проходит как по межклеточным щелям – парацеллюлярно, так и непосредственно сквозь клетки – трансцеллюлярно. При этом за трансцеллюлярное движение воды отвечают аквапорины, а ее диффузию по межклеточным промежуткам (т.е. парацеллюлярно) регулируют гиалуроновая кислота, заполняющая межклеточное пространство и структуры плотных межклеточных соединений.

Межклеточное пространство эпидермиса – еще один важный участник системы регуляции водного гемостаза. В отличие от дермального слоя, где фибробласты расположены на большом расстоянии друг от друга, в эпидермисе клетки упакованы очень компактно, и на долю межклеточного вещества приходится менее 1% объема. Тем не менее именно по межклеточным щелям идет основной диффузный поток воды и растворенных в ней веществ.

Межклеточное пространство в живых слоях эпидермиса заполнено гиалуроновой кислотой, концентрация (т.е. количество вещества в единице объема) которой здесь даже выше, чем в дермальном слое (рис.2). Эпидермальная гиалуроновая кислота синтезируется кератиноцитами, они же ее и разрушают. Скорость синтеза/деградации гиалурона в эпидермисе велика – период полураспада составляет примерно сутки. Гиалуроновый гель создает вокруг живых клеток комфортную водную среду обитания и необходим для клеточной миграции. Дистанция между клетками регулируется содержанием внеклеточной гиалуроновой кислоты. Так, если необходимо ускорить миграцию клеток (например, при повреждении кожи для скорейшей эпителизации), кератиноциты синтезируют дополнительное количество гиалуроновой кислоты, которая немедленно впитывает воду и набухает, увеличивая дистанцию между соседними клетками и ослабляя десмосомальные связи. В результате клетки начинают легче перемещаться как в горизонтальном, так и вертикальном направлении.

Помимо гиалуроновой прослойки поток воды в эпидермисе сдерживается и контролируется так называемыми плотными контактами (рис.3), состоящими из трансмембранных (клаудины, окклюдин и адгезионные молекулы) и внутриклеточных белков, а также линкерной зоны (десмосом), обеспечивающей точечное соединение двух соседних клеток. Вместе эти белки формируют полупроницаемую «систему заграждений», регулируя прохождения воды и растворенных в ней соединений в пределах эпидермиса [5]. Плотные соединения лучше всего развиты в гранулярном слое эпидермиса.

Рис 3. Схематическое строение межклеточных плотных контактов с водными порами

 Итак, диффузия воды и ионов сквозь эпидермис происходит как по межклеточным щелям – парацеллюлярно, так и непосредственно сквозь клетки – трансцеллюлярно. При этом за трансцеллюлярное движение воды отвечают аквапорины, а ее диффузию по межклеточным промежуткам (т.е. парацеллюлярно) регулируют гиалуроновая кислота, заполняющая межклеточное пространство и структуры плотных межклеточных соединений (рис. 4).

Различные системы регуляции водного баланса эпидермиса влияют друг на друга. Так, экспрессия AQP-3 прямо связана с экспрессией других эпидермальных белков, вовлеченных в сохранение воды, а именно клаудина (белок плотных контактов) и филагрина (белок, принимающий участие в процессе ороговения и являющийся источником аминокислот, входящих в состав натурального увлажняющего фактора рогового слоя). А экспрессия AQP -3 и клаудина-1 обратно коррелирует с экспрессией рецептора CD44 для гиалуроновой кислоты.

Рис 4.Парацеллюлярный (А) и транцеллюлярный (В) путь диффузии воды и растворенных в ней веществ.

Можно ли управлять работой водорегулирующих систем эпидермиса?

Управлять работой водорегулирующих систем эпидермиса теоретически возможно. Но только в том случае, если знать, как работают ее звенья по отдельности и все вместе. Например, через воздействие на уровне аквапоринов можно влиять на процессы созревания и ороговения кератиноцитов, а также на формирование липидного барьера рогового слоя [7,8]. Повышение количества гиалуроновой кислоты в межклеточном пространстве эпидермиса уменьшит силу сцепления кератиноцитов в нижних слоях эпидермиса и облегчит их передвижение вверх, в результате чего времени на созревание у них станет меньше и роговой слой через некоторое время истончится (что актуально, например, при гиперкератозе). Ретиноевая кислота, известный регулятор пролиферации и дифференцировки кератиноцитов, повышает экспрессию гена AQP-3[9]. Еще более сильными стимуляторами AQP-3 оказались форболовые эфиры- спустя 4 часа после аппликации в коже мышей содержание аквапорина- 3 увеличилось почти в 10 раз, и этот эффект сопровождался гиперпролиферацией кератиноцитов [10].

Один из новых методов, сочетающий воздействие на эпидермис физического и химического факторов и влияющий на работу водорегулирующих систем эпидермиса, получил название аквапорация. Его суть заключается в том, что в роговой слой и живые слои эпидермиса целевым образом доставляются вещества, задействованные в механизмах регуляции водного баланса, - это гиалуроновая кислота и компоненты натурального увлажняющего фактора, взятые в определенном количестве и пропорции. Для лучшего прохождения сквозь барьерные структуры их заключают в липосомальные контейнеры, а кожу дополнительно обрабатывают радиочастотами.

Радиочастоты действуют на разные слои кожи по-разному. В роговом слое они могут временно дезорганизовывать липидные пласты, заполняющие межклеточные промежутки и ограничивающие диффузию веществ между корнеоцитами. Тем самым повышается проницаемость рогового слоя для веществ, нанесенных на ее поверхность. Диффузию облегчит также тепло, которое вырабатывается в кожной ткани в ответ на радиочастотное воздействие (эффект диатермии).

Что касается живых слоев эпидермиса, то в ряде экспериментов было показано, что радиочастоты способны вызвать конформационные изменения аквапоринов и таким образом повлиять на их пропускную способность для воды [11-15]. Есть также предварительные сообщение о том, что может меняться экспрессия генов, кодирующих аквапорины, однако эти наблюдения требуют детального изучения. И хотя детали механизма действия аквапорации еще не до конца понятны, клинические наблюдения свидетельствуют об эффективности метода в плане увлажнения кожи и укрепления ее барьерной функции. Нормализация водного баланса на уровне эпидермиса благоприятно сказывается и на состоянии дермального слоя, и это отражают улучшенные показатели эластичности и тургора.

Практические разработки и клинические наблюдения

Метод аквапорации был разработан немецкой компанией КОКО dermaviduals, которая с самого начала своей работы придерживается принципов корнеотерапии и создает косметические рецептуры, направленные прежде всего на восстановление и поддержание барьерных свойств рогового слоя. Большой опыт работы в области корнеотерапии позволил разработчикам оптимизировать рецептуры наносимых на кожу препаратов и подобрать точные пропорции активных компонентов (гиалуроновая кислота, NMF, заключенные в фосфолипидные липосомы, которые помещены в ламеллярную DMS – эмульсию; производитель – КОКО GmbH & Co. KG), а кооперация с биофизиками помогла выбрать режим радиочастотного воздействия (прибор radioSURG 2200, режим MONO CUT, 2,2 МГц, 18-20 Вт; производитель Meyer-Haake GmbH).

Остается добавить, что это новый метод, ставший доступным практикующим косметологам относительно недавно. Клинический материал еще только нарабатывается, но уже имеются первые отзывы о положительном воздействии аквапорации – после курса из 6 процедур, проводимым с недельным интервалом, сухая и дряблая кожа становится более увлажненной и подтянутой. Домашний уход помогает поддерживать достигнутый результат в течение длительного времени.

Метод аквапорации особенно рекомендуется для коррекции симптомов фотостарения и профилактики преждевременного старения. Исследования в этом направлении продолжаются, и мы ожидаем, что показания и возможности аквапорации в скором будущем существенно расширятся.    

Литература:

1. Boury-Jamot M., Tailhardat M., Le Varlet B„ Dumas M. et al. Expression of aquaporins in cells from human skin. J Invest Dermatol. 2004; 123: Abstract 43.

2. Boury-Jamot M., Sougrat R., Tailhardat M. etal. Expression and function of aquaporins in human skin is aquaporine-3: Is aquaporin-3 just a glycerol transporter? Biochim Biophys Acta 2006; 1758:1034-1042.

3. Sugiyama Y., Ota Y., Hara M., Inoue S. Osmotic stress up-regulate aquaporin-3 expression in cultured human keratinocytes. Biochem Biophys Acta 2001; 1522: 82-88.

4. VerkmanA.S. More than just water channels:unexpected cellular rolesof aquaporins. J Cell Sei. 2005; 118: 3225-3232.

5. BrandnerJ. M. Pores in the epidermis: aquaporins and tight junctions. Int J Cosmet Sei 2007; 29:413-442.

6. FuruseM., TsukitaS. Claudins in occluding junctions of humans and flies.Trends Cell Biol. 2006; 16:181-188.

7. DumasM.,SadickN.S., Noblesse E. etal. Hydrating skin by stimulating biosynthesis of aquaporins. J Drug Dermatol. 2007; 6(6 Suppl): S20-24.

8. Bonte F. Skin moisturization mechanisms: new data. Ann Pharm Fr. 2011; 69(3): 135-141.

9. Cao C., Wan S., Jiang Q., AmaralA. etal. All-trans retinoic acid attenuates ultraviolet radiation-induced downregulation of aquaporin-3 and water permeability in human keratinocytes. J Cell Physiol 2008; 215:506-516.

10. Hara-Chikuma M., VerkmanA.S. Prevention of skin tumorigenesis and impairment of epidermal cell proliferation by targeted aquaporin-3 gene disruption. Mol Cell Biol 2008b; 28: 326-232.

11. GarateJ.A., English N.J., MacElroyJ.M. Human aquaporin 4 gating dynamics in de and ac electric fields: a molecular dynamics study. J Chem Phys. 2011; 134(5): 055110.

12. Hub J.S., Aponte-Santamaria C., Grubmüller H., de Groot B.L. Voltage-regulated water flux through aquaporin channels in silico. Biophys J. 2010; 99(12): L97-99.

13. Oliva R., Calamita G., Thornton J.M., Pellegrini-Calace M. Electrostatics of aquaporin and aquaglyceroporin channels correlates with their transport selectivity. Proc Natl Acad Sei U S A. 2010; 107(9): 4135-4140.

14. Sugiyama Y., Ota Y., Hara M., Inoue S. Osmotic stress up-regulate aquaporin-3 expression in cultured human keratinocytes. Biochem Biophys Acta 2001; 1522: 82-88.

15. Chen H., Han B„ Wu Y., Zhu F., Schulten K. et al. Charge delocalization in proton channels, I: the aquaporin channels and proton blockage. Biophys J. 2007; 92(1): 46-60.