Автор: Ханс Лаутеншлегер – доктор хімічних та фізичних наук, творець корнеотерапевтичного бренду dermaviduals (Німеччина).
Шкіра в цілому та епідерміс зокрема мають складні системи регуляції водного балансу, завдання яких полягає не тільки в тому, щоб підтримувати необхідний рівень води, а й у тому, щоб водне середовище постійно оновлювалося та не застоювалося. Якщо підійти до вирішення проблеми зволоження шкіри з цих позицій, стає очевидним, що потрібно не тільки зміцнювати бар'єрні структури, зосереджені в роговому шарі, але і навчитися впливати на механізми, що регулюють водний баланс всього епідермісу. Метод аквапорації спрямований нарішення цього завдання.
Багаторівнева система регуляції водного балансу епідермісу
Симптоми сухості шкіри, такі як лущення, розтріскування, дрібні зморшки, стягування розвиваються тоді, коли в роговому шарі рівень вологи знижується нижче 15%. За допомогою спеціальних косметичних засобів ми можемо скоригувати цей стан, зміцнивши водоутримуючі структури рогового шару. Завдання косметичного зволоження не така проста, як здається на перший погляд, але сьогодні вона успішно вирішується в рамках концепції, відомої як корнеотерапія.
Разом з тим, корнеотерапевтичне зволоження шкіри націлене виключно на роговий шар. Але пригадаймо, що в багатьох випадках причини, що викликають порушення рогового шару, лежать глибше – живі шари епідермісу. Роговий шар – це продукт диференціювання кератиноцитів, основних клітин епідермісу, і якщо їхнє життя протікало в несприятливих умовах, то і роговий шар може сформуватися дефектним.
В епідермісі існує ціла система водоутримувальних та водорегулюючих структур, скоординована робота яких забезпечує його здатність стримувати воду всередині тіла. Вода в самому епідермісі не застоюється, а динамічно оновлюється.
Функціонування кератиноцитів багато в чому залежить від того середовища, в якому вони знаходяться. Оскільки це живі клітини, то головною умовою існування є вода. Вода існує всередині клітин та навколо них, і дуже важливо, щоб вона знаходилася у безперервному русі. Шкіра в цілому та епідерміс зокрема мають складні системи регуляції водного балансу, завдання яких полягає не тільки в тому, щоб підтримувати необхідний рівень води, а й у тому, щоб водне середовище постійно оновлювалося та не застоювалося. Разом із струмом води до клітин епідермісу надходять поживні речовини та сигнальні молекули і, навпаки, видаляють продукти обміну.
Якщо підійти до вирішення проблеми зволоження шкіри з цих позицій, стає очевидним, що потрібно не тільки зміцнювати бар'єрні структури, зосереджені в роговому шарі, але і навчитися впливати на механізми, що регулюють водний баланс всього епідермісу.
Дані, які сьогодні має наука, дозволяють говорити про те, що ми впритул підступили до вирішення цього завдання.
Водний баланс епідермісу важливий не лише для зовнішнього вигляду та нормального функціонування шкіри – він життєво важливий для всього організму. Саме епідерміс, будучи кордоном між внутрішнім водним середовищем організму та зовнішнім повітряним середовищем проживання, відповідає за те, щоб наш організм не був зневоднений внаслідок швидкого випаровування води.
Роговий шар служить фізичним бар'єром, що регулює випаровування води
Основною рушійною силою, що забезпечує потік води з дермального шару до епідермісу, служить її випаровування з поверхні шкіри. Роговий шар не є 100% бар'єром для води, і вона пересувається всередині нього в одному напрямку – зсередини назовні, а потім випаровується. Швидкість трансепідермального випаровування води (ТЕПВ) контролюється спеціальними структурами рогового шару, до яких належать:
- ліпідний бар'єр, розташований між корнеоцитами: в його основі впорядкований ліпідний матрикс, організований у пластиноподібні структури. У матриксі є гідрофобні та гідрофільні регіони; по гідрофільних регіонах відбувається дифузія молекул води, у напрямку поверхні шкіри;
- компоненти натурального зволожуючого фактора (вільні амінокислоти, сечовина, молочна кислота, піроглутамат натрію); низькомолекулярні гігроскопічні сполуки, розташовані переважно навколо рогових конвертів корнеоцитів. Утримують воду іонними зв'язками;
- кератин: високомолекулярний гігроскопічний білок, що заповнює рогові лусочки. Утримує воду завдяки іонним зв'язкам між зарядженими групами та диполями води;
- шкірне сало: створює додаткове гідрофобне покриття на шкірі. Стримує випаровування води завдяки оклюзії.
Водорегулюючі структури рогового шару відносяться до механізмів пасивного регулювання – їхня робота залежить виключно від їх структурної повноцінності та кількості. Треба відзначити, що в нормі роговий шар досить добре стримує випаровування, і якби епідерміс розраховував тільки на відтік води через нього, то рушійна сила, що виникла, була б занадто слабкою, щоб забезпечувати гідну циркуляцію рідини всередині живих шарів епідермісу. Крім того, подібний потік води був би односпрямованим – з боку дермального шару до рогового, що також небажано, адже за таких умов було б утруднено виведення продуктів клітинного метаболізму з епідермісу та обмін сигнальними молекулами.
Робота аквапоринів забезпечує активну циркуляцію води в живих шарах епідермісу
Перемішування води в межах живих шарів епідермісу забезпечують аквапорини – інтегральні білки, що пронизують мембрани клітин та формують у них наскрізні канали (пори), якими вода може надходити або залишати клітину (рис 1). Аквапорини знайдені у всіх живих клітин, вони здійснюють транспорт води, а також деяких низькомолекулярних речовин (гліцерину та сечовини) осмолярним градієнтом.
Мал. 2. Будова аквапоринового комплексу
Аквапориновий комплекс – це гомотетрамер (а), що складається з чотирьох однакових субодиниць (б). Кожна субодиниця має 6 спіралеподібних доменів та формує одну водну пору.
Незважаючи на те, що робота аквапоринів безпосередньо не вимагає енергетичних витрат у вигляді АТФ, аквапоринову систему відносять до механізмів активного регулювання водного балансу, оскільки тут задіяні живі клітини. На цей час у шкірі виявлено щонайменше 6 ізоформ аквапоринів (див. таблицю), але найпоширенішим є аквапорин-3 (AQP-3) [1-3]. Примітно, що він є у живих кератиноцитів, у мертвих корнеоцитах (і в самому роговому шарі) аквапоринів взагалі немає.
Аквапорини шкіри людини
|
Ізоформа аквапорину |
У яких клітинах виявлено
|
|
AQP-1 |
Ендотеліальні клітини, фібробласти, меланоцити |
|
AQP-3 |
Кератиноцити, дендритні клітини моноцитарного походження |
|
AQP-5 |
Клітини потових залоз |
|
AQP-7 |
Диференційовані преадипоцити |
|
AQP-9 |
Кератиноцити, що диференціюються, моноцити, дендритні клітини моноцитарного походження, преадипоцити |
|
AQP-10 |
Креатиноцити, моноцити |
Зважаючи на все, саме AQP -3 найбільш значущий для підтримки водного балансу епідермісу, а також для правильного дозрівання кератиноцитів та своєчасного перетворення їх на корнеоцити. Основним природним регулятором активності AQP-3 є кислотність середовища – при закисленні відбувається інгібування водних каналів. Іншим фактором, що впливає на роботу аквапоринової системи, є іони кальцію – підвищення позаклітинної концентрації Ca2+ пригнічує експресію AQP-3 та зменшує надходження у клітину гліцерину. Аквапориновий механізм чутливий до осмотичної сили міжклітинної рідини, яка залежить від концентрації солей та осмотично активних сполук (білків, цукрів). У дослідженні [3] спостерігали підвищення експресії AQP-3 у культурі кератиноцитів в умовах осмотичного стресу, коли у поживному середовищі підвищували концентрацію хлориду натрію, сорбітолу, манітолу, сахарози та глюкози.
Експресія аквапоринів лабільна та адаптується до різних умов. При набряку, коли є застій рідини, рівень AQP-3 різко падає до повного зникнення. Зниження експресії AQP-3 спостерігається з віком та погіршується хронічним УФ-випромінюванням. При атопічному дерматиті, навпаки, рівень AQP-3 зростає. Припускають, що це адаптивна реакція шкіри, спрямована на те, щоб компенсувати високу втрату води через слабкий роговий шар, характерний атопічного дерматиту.
Міжклітинний простір в епідермісі займає трохи більше 1% обсягу, решта посідає клітини. Але саме міжклітинними щілинами йде основний потік води і розчинених у ній речовин, і якщо цей регулюється недостатньо добре, клітини виявляються в умовах недостатнього постачання поживними речовинами і застою продуктів метаболізму.
а) гістологічний зріз шкіри
ГК більше міститься в папілярному шарі дерми, про що свідчить його інтенсивне забарвлення, тоді як глибша ретикулярна дерма пофарбована слабше. Простір між епітеліальними клітинами, що вистилають сально-волосяний фолікул, також інтенсивно забарвлений.
б) епідерміс
Видно, що ГК локалізована між живими кератиноцитами (їх ядра мають блакитне забарвлення). У роговому шарі ГК відсутня. Зірочками позначений базальний шар, трикутниками – кордон з роговим шаром.
в) ультраструктурна локалізація ГК між кератиноцитами
Зразок шкіри було пофарбовано, як описано вище, а потім досліджено за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії. Темна субстанція між сусідніми клітинами – це і є ГК.
Мал. 2. Гіалуронова кислота (ГК) в епідермісі: ГК забарвлена коричневим кольором, ядра кератиноцитів – блакитним.
Дифузія води та іонів крізь епідерміс проходить як міжклітинними щілинами – парацелюлярно, так і безпосередньо крізь клітини – трансцелюлярно. При цьому за трансцелюлярний рух води відповідають аквапорини, а її дифузію по міжклітинних проміжках (тобто парацелюлярно) регулюють гіалуронова кислота, що заповнює міжклітинний простір та структури щільних міжклітинних сполук.
Міжклітинний простір епідермісу є ще одним важливим учасником системи регуляції водного гемостазу. На відміну від дермального шару, де фібробласти розташовані на великій відстані один від одного, в епідермісі клітини упаковані дуже компактно, і міжклітинної речовини припадає на частку менше 1% обсягу. Проте саме міжклітинними щілинами йде основний дифузний потік води і розчинених у ній речовин.
Міжклітинний простір у живих шарах епідермісу заповнений гіалуроновою кислотою, концентрація (тобто кількість речовини в одиниці об'єму) якої тут навіть вища, ніж у дермальному шарі (мал. 2). Епідермальна гіалуронова кислота синтезується кератиноцитами, вони ж її і руйнують. Швидкість синтезу/деградації гіалурону в епідермісі велика – період напіврозпаду становить приблизно добу. Гіалуроновий гель створює навколо живих клітин комфортне водне довкілля і необхідний для клітинної міграції. Дистанція між клітинами регулюється вмістом позаклітинної гіалуронової кислоти. Так, якщо необхідно прискорити міграцію клітин (наприклад, при пошкодженні шкіри для якнайшвидшої епітелізації), кератиноцити синтезують додаткову кількість гіалуронової кислоти, яка негайно вбирає воду та набухає, збільшуючи дистанцію між сусідніми клітинами та послаблюючи десмосомальні зв'язки. В результаті клітини починають легше переміщатися як горизонтальному, так і вертикальному напрямку.
Крім гіалуронового прошарку потік води в епідермісі стримується і контролюється так званими щільними контактами (мал. 3), що складаються з трансмембранних (клаудин, оклюдин і адгезійні молекули) і внутрішньоклітинних білків, а також лінкерної зони (десмосом), що забезпечує точкове поєднання клітин. Разом ці білки формують напівпроникну «систему загороджень», регулюючи проходження води та розчинених у ній сполук у межах епідермісу [5]. Щільні сполуки найкраще розвинені у гранулярному шарі епідермісу.
Мал. 3. Схематична будова щільних міжклітинних контактів з водними порами
Отже, дифузія води та іонів крізь епідерміс відбувається як у міжклітинних щілинах – парацелюлярно, і безпосередньо крізь клітини – трансцелюлярно. При цьому за трансцелюлярний рух води відповідають аквапорини, а її дифузію по міжклітинних проміжках (тобто парацелюлярно) регулюють гіалуронова кислота, що заповнює міжклітинний простір та структури щільних міжклітинних сполук (мал. 4).
Різні системи регуляції водного балансу епідермісу впливають одна на одну. Так, експресія AQP-3 прямо пов'язана з експресією інших епідермальних білків, залучених у збереження води, а саме клаудину (білок щільних контактів) та філагріну (білок, що бере участь у процесі зроговіння і є джерелом амінокислот, що входять до складу натурального зволожуючого фактора рогового шару). А експресія AQP-3 та клаудину-1 назад корелює з експресією рецептора CD44 для гіалуронової кислоти.
Мал. 4. Парацелюлярний (А) і транцелюлярний (В) шлях дифузії води та розчинених у ній речовин.
Чи можна керувати роботою водорегулюючих систем епідермісу?
Керувати роботою водорегулюючих систем епідермісу теоретично можливо. Але тільки в тому випадку, якщо знати, як працюють її ланки окремо і всі разом. Наприклад, через вплив лише на рівні аквапоринів можна проводити процеси дозрівання і зроговіння кератиноцитів, і навіть формування ліпідного бар'єру рогового шару [7,8]. Підвищення кількості гіалуронової кислоти в міжклітинному просторі епідермісу зменшить силу зчеплення кератиноцитів у нижніх шарах епідермісу та полегшить їх пересування вгору, внаслідок чого часу на дозрівання у них стане менше і роговий шар через деякий час потоншиться (що актуально, наприклад, при гіперкератозі). Ретиноєва кислота, відомий регулятор проліферації та диференціювання кератиноцитів, підвищує експресію гена AQP-3 [9]. Ще сильнішими стимуляторами AQP-3 виявилися форболові ефіри – через 4 години після аплікації в шкірі мишей вміст аквапорину-3 збільшився майже в 10 разів, і цей ефект супроводжувався гіперпроліферацією кератиноцитів [10].
Один з нових методів, що поєднує вплив на епідерміс фізичного та хімічного факторів і впливає на роботу водорегулюючих систем епідермісу, отримав назву аквапорації. Його суть полягає в тому, що в роговий шар і живі шари епідермісу цільовим чином доставляють речовини, задіяні в механізмах регуляції водного балансу – це гіалуронова кислота і компоненти зволожуючого фактора в певній кількості і пропорції. Для кращого проходження крізь бар'єрні структури їх укладають у ліпосомальні контейнери, а шкіру додатково обробляють радіочастотами.
Радіочастоти впливають на різні шари шкіри по-різному. У роговому шарі вони можуть тимчасово дезорганізовувати ліпідні пласти, що заповнюють міжклітинні проміжки, та обмежують дифузію речовин між корнеоцитами. Тим самим підвищується проникність рогового шару речовин, нанесених на її поверхню. Дифузію полегшить також тепло, яке виробляється у шкірній тканині у відповідь на радіочастотну дію (ефект діатермії).
Що стосується живих шарів епідермісу, то в ряді експериментів було показано, що радіочастоти здатні викликати конформаційні зміни аквапоринів і таким чином впливати на їхню пропускну здатність для води [11-15]. Існують також попередні повідомлення про те, що може змінюватися експресія генів, що кодують аквапорини, проте ці спостереження вимагають детального вивчення. І хоча деталі механізму дії аквапорації ще не до кінця зрозумілі, клінічні спостереження свідчать про ефективність методу щодо зволоження шкіри та зміцнення її бар'єрної функції. Нормалізація водного балансу лише на рівні епідермісу сприятливо позначається і стані дермального шару, і це відбивають поліпшені показники еластичності і тургора.
Практичні розробки та клінічні спостереження
Метод аквапорації був розроблений німецькою компанією КОКО dermaviduals, яка від початку своєї роботи дотримується принципів корнеотерапії та створює косметичні рецептури, спрямовані насамперед на відновлення та підтримання бар'єрних властивостей рогового шару. Великий досвід роботи в галузі корнеотерапії дозволив розробникам оптимізувати рецептури препаратів, що наносяться на шкіру, і підібрати точні пропорції активних компонентів (гіалуронова кислота, NMF, укладені у фосфоліпідні ліпосоми, які поміщені в ламелярну DMS – емульсію K); кооперація з біофізиками допомогла вибрати режим радіочастотної дії (прилад radioSURG 2200, режим MONO CUT, 2,2 МГц, 18-20 Вт; виробник Meyer-Haake GmbH).
Залишається додати, що це новий метод, який став доступним практикуючим косметологам відносно недавно. Клінічний матеріал ще тільки напрацьовується, але вже є перші відгуки про позитивний вплив аквапорації – після курсу з 6 процедур, що проводяться з тижневим інтервалом, суха та в'яла шкіра стає зволоженою та підтягнутою. Домашній догляд допомагає підтримувати досягнутий результат протягом тривалого часу.
Метод аквапорації особливо рекомендується для корекції симптомів фотостаріння та профілактики передчасного старіння. Дослідження в цьому напрямку продовжуються, і ми очікуємо, що свідчення та можливості аквапорації незабаром суттєво розширяться.
Література:
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: Чи є 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. Більше того, як тільки 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. Все-транс ретіоніческій 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 JS, Aponte-Santamaria C., Grubmüller H., de Groot B.L. Voltage-регульований water flux через aquaporin channels in silico. Biophys J. 2010; 99 (12): L97-99.
13. Oliva R., Calamita G., Thornton J.M., Pellegrini-Calace M. Electrostatics з аквапорину і акваглосороконій каналів correlates з їх транспортною selectivity. Proc Natl Acad Sei US 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 в proton channels, I: the aquaporin channels and proton blockage. Biophys J. 2007; 92 (1): 46-60.